Informatique
Les qubits à la milliseconde marquent une percée dans la technologie quantique
Percée dans les qubits supraconducteurs à l’échelle de la milliseconde
Quantum computers could revolutionize how we perform cryptography, calculate complex simulations like proteins’ 3D configuration, and probably have many more applications we are barely guessing today.
Pour fonctionner, ils ont besoin de qubits aussi stables que possible, l’élément fondamental du calcul quantique. Jusqu’à présent, seuls les ordinateurs quantiques à « ions piégés » ont réussi à générer des qubits très stables. Mais cette technologie est intrinsèquement plus difficile à mettre à l’échelle que les qubits supraconducteurs.
Ainsi, bien que les qubits supraconducteurs puissent représenter l’avenir de cette technologie, une amélioration de la stabilité de leur temps de cohérence est nécessaire.
C’est exactement ce qu’une importante équipe de chercheurs de l’Université de Princeton vient d’accomplir. Ils ont créé un type de qubits supraconducteurs capables de conserver leur cohérence pendant plus d’une milliseconde, soit trois fois plus longtemps que le meilleur record précédent.
Ils ont publié leurs résultats dans Nature1, sous le titre “Millisecond lifetimes and coherence times in 2D transmon qubits”.
La limite de cohérence des qubits
Pour réaliser un calcul quantique, un ordinateur quantique doit maintenir la « cohérence », un état quantique spécial extrêmement vulnérable aux interférences de l’environnement. En général, le bruit thermique et le mouvement des particules tendent à détruire la cohérence en nanosecondes.
Dans des conditions particulières, comme des environnements ultra-froids, la durée de vie d’un qubit peut être plus longue. Mais même ainsi, une cohérence suffisante reste une limitation majeure pour la plupart des ordinateurs quantiques actuels, entraînant des erreurs de calcul qui non seulement réduisent la capacité totale de calcul, mais ne peuvent pas non plus être facilement compensées par des mises à jour logicielles.
Ainsi, déterminer quel matériau peut maintenir la cohérence plus longtemps constitue une avancée clé à réaliser avant d’atteindre le stade commercial de l’industrie du calcul quantique.
“Le vrai défi, ce qui nous empêche d’avoir aujourd’hui des ordinateurs quantiques utiles, c’est que l’on construit un qubit et que l’information ne dure tout simplement pas longtemps.
C’est le prochain grand saut en avant.”
Comment les chercheurs ont prolongé la cohérence des qubits transmon
Les chercheurs ont utilisé le même type de qubits supraconducteurs employé par des entreprises comme Google ou IBM dans leur propre ordinateur quantique, transmon qubits.
Les qubits transmon présentent l’avantage d’être à haute fidélité (fidélités des portes à un qubit supérieures à 99,9 %), possibles à produire à grande échelle, et dotés de temps de cohérence élevés de 0,1 milliseconde.
C’est prometteur, mais le temps de cohérence reste trop faible.
Ainsi, lorsque les chercheurs de Princeton ont annoncé avoir réussi à créer un qubit d’une durée moyenne de 1,68 ms, il s’agit d’une amélioration massive.
Source: Nature
Il s’agit d’une durée de qubit trois fois plus longue que le meilleur jamais créé en laboratoire, et quinze fois plus forte que celle utilisée par les entreprises privées développant des ordinateurs quantiques.
Pourquoi le tantale et le silicium améliorent la cohérence quantique
Le tantale améliore la cohérence
Pour obtenir ce résultat, les chercheurs ont utilisé deux améliorations différentes du matériau utilisé.
Tout d’abord, ils ont utilisé un métal appelé tantale comme couche de base pour aider les circuits fragiles à préserver l’énergie. En effet, de minuscules défauts de surface invisibles dans le métal peuvent piéger et absorber l’énergie lorsqu’elle se déplace.
Cela devient particulièrement problématique à mesure que davantage de qubits sont ajoutés à une puce, ce type d’erreur se multiplie au point de rendre la puce inutilisable au-delà d’un certain nombre.
La microscopie électronique à transmission (STEM) a été utilisée pour confirmer la structure hautement régulière des cristaux cubiques de tantale.
Source: Nature
Comparé à des métaux comme l’aluminium, le tantale présente beaucoup moins de défauts et est hautement résistant aux procédés de nettoyage agressifs utilisés pour éliminer les impuretés.
“Vous pouvez mettre du tantale dans de l’acide, et les propriétés ne changent toujours pas.”
Faire pousser du tantale directement sur du silicium a été un défi qui a nécessité un effort considérable pour être surmonté.
Faire glisser pour faire défiler →
| Matériau du qubit | Substrat | Temps de cohérence moyen | Densité de défauts | Facilité de fabrication |
|---|---|---|---|---|
| Aluminium | Saphir | 0,1 ms | Élevé | Moyen |
| Tantale | Silicium à haute résistivité | 1,68 ms | Faible | Élevé (compatible semi-conducteur) |
Le silicium remplace le saphir
Une autre source de perte d’énergie entraînant la perte de cohérence est le substrat en saphir utilisé dans les puces quantiques.
À la place, les chercheurs ont utilisé du silicium de haute qualité (haute résistivité), un matériau standard courant de l’industrie informatique traditionnelle.
Ensemble, ces améliorations des matériaux utilisés dans cette plateforme tantale-sur-silicium ont permis aux portes à un seul qubit d’atteindre une fidélité de 99,994 %.
De la percée en laboratoire aux puces quantiques évolutives
Les chercheurs ont ensuite utilisé leur méthode pour construire une puce quantique entièrement fonctionnelle qui surpasse toutes les conceptions précédentes.
Comme le taux d’erreur est multiplicatif, ce type d’amélioration se scale exponentiellement avec la taille du système. En conséquence, l’amélioration de 10 à 15 fois du taux d’erreur pour les qubits individuels a un effet beaucoup plus important sur un ordinateur à plusieurs qubits.
Il est important de noter qu’un tel qubit n’est pas un concept exotique nouveau, mais simplement un qubit supraconducteur « traditionnel » utilisant un matériau différent, ce qui permet de l’intégrer facilement aux ordinateurs quantiques existants et d’être utilisé par les logiciels de calcul quantique actuels.
“Intégrer les composants de Princeton dans le meilleur processeur quantique de Google, appelé Willow, permettrait à celui‑ci de fonctionner 1 000 fois mieux.
Les avantages du qubit de Princeton croissent de façon exponentielle avec la taille du système, de sorte qu’ajouter davantage de qubits apporterait un bénéfice encore plus grand.”
Andrew Houck, Princeton’s dean of engineering
Cela signifie que la conception de Princeton pourrait permettre à un ordinateur hypothétique de 1 000 qubits de fonctionner environ un milliard de fois mieux.
Mieux encore, l’utilisation du tantale et du silicium signifie que la méthode de fabrication correspond à celles déjà utilisées par l’industrie des semi‑conducteurs, rendant la production de masse un jalon beaucoup plus facile à atteindre qu’une technologie entièrement nouvelle.
Cette recherche semble indiquer que les puces quantiques en silicium, dont nous avons parlé précédemment, sont probablement la bonne direction pour l’industrie du calcul quantique.
Ensemble avec de meilleures sources de lumière quantique, des puces hybrides quantiques‑photoniques, et la possibilité de transporter l’information quantique conjointement avec le flux de données télécoms normal, ces avancées vers des ordinateurs quantiques beaucoup plus grands montrent que la technologie atteint rapidement la maturité commerciale.
Investir dans l’innovation du calcul quantique
1. Alphabet Inc.
(GOOGL )
Google est très actif dans le domaine du calcul quantique, principalement via son Google Quantum AI lab et le campus Quantum AI à Santa Barbara.
L’ordinateur quantique de Google a fait l’histoire en 2019 lorsqu’il a affirmé avoir atteint la « suprématie quantique » avec sa machine Sycamore. Cette machine a effectué un calcul en 200 secondes qui aurait pris 10 000 ans à un superordinateur conventionnel.
Cela est maintenant éclipsé par les performances de sa toute nouvelle puce, appelée Willow. Il s’agit du tout premier puce de calcul quantique dont le taux d’erreur est suffisamment bas pour que, plus vous ajoutez de qubits, moins vous avez d’erreurs. Cela en fait la toute première conception de puce quantique évolutive.
Mais peut‑être que la plus grande contribution de Google réside dans le logiciel, une activité où il possède un parcours impressionnant, en réalité meilleur que dans le matériel (Search, G Suite, Android, etc.).
Déjà, le Quantum AI de Google propose une suite de logiciels conçus pour aider les scientifiques à développer des algorithmes quantiques.
Il encourage également ouvertement les « chercheurs, ingénieurs et développeurs à nous rejoindre dans cette aventure en consultant notre logiciel open source et nos ressources éducatives, y compris notre nouveau cours sur Coursera, où les développeurs peuvent apprendre les bases de la correction d’erreurs quantiques et nous aider à créer des algorithmes capables de résoudre les problèmes du futur. »
Grâce à cette approche ouverte, Google est désormais leader tant dans le matériel que dans ses solutions cloud. Google pourrait être l’une des entreprises qui définissent les standards des logiciels de calcul quantique et de la programmation quantique, lui conférant une position privilégiée pour orienter l’évolution future du domaine.
Parallèlement, les solutions d’IA, y compris la voiture autonome de Waymo, pourraient devenir le nouveau moteur de revenus pour Alphabet, qui détient toujours une position massivement dominante dans les secteurs de la recherche et de la publicité.
Vous pouvez en savoir plus sur les activités de Google non liées au quantique, notamment la publicité et l’IA, dans notre rapport dédié de décembre 2024.
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Étude référencée :
1. Bland, M.P., Bahrami, F., Martinez, J.G.C. et al. Millisecond lifetimes and coherence times in 2D transmon qubits. Nature 647, 343–348 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09687-4
