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Ordinateur Quantique

Publié le 15 septembre 2020

Ordinateur quantique à grande échelle grâce aux qubits sur puces silicium

 Qu'est ce que la technologie quantique?

  • Fondé en 2018, le consortium Quantum Silicon Grenoble regroupe les équipes du CEA-Leti/IRIG, l'Institut Néel du CNRS, et l'UGA autout d'un même objectif : le développement d'un processeur de 100 qubits.  Les chercheurs sont parvenus à encapsuler un électron unique dans un circuit silicium fabriqué à partir de la technologie CMOS sur silicium. 

  • Lorsque cet électron unique atteint son état quantique, il est orienté à la fois vers le Nord et vers le Sud, on parle alors de superposition d'état. Cette superposition permet au qubit de prendre les valeurs 0 et 1 simultanément, contrairement à un bit classique qui ne peut prendre qu'une seule de ses deux valeurs à la fois. En cela, l'utilisation de qubits permet d'augmenter la puissance de calcul des ordinateurs quantiques de manière exponentielle par rapport à un ordinateur classique.

 Application

L'intérêt du quantique réside dans le parallélisme intrinsèque des opérations qui, utilisé judicieusement dans certains algorithmes, permet une accélération exponentielle de calculs par rapport aux ordinateurs actuels. A terme, le calcul quantique est susceptible d'apporter de réelles améliorations, dans les domaines suivants :

  • La simulation : par ex., identifier le meilleur médicament pour lutter contre un virus, une bactérie ou un cancer ; faire progresser la physique et la science des matériaux.
  • Le machine learning et les big data : développer des véhicules autonomes, améliorer la prédiction météorologique, du trafic automobile ou des marchés financiers, ou encore les calculs mathématiques, etc.
  • La sécurité informatique : la cryptographie.


 Nouveauté?

Il existe quatre grandes voies pour développer un ordinateur quantique :

  • les supraconducteurs ;
  • la photonique ;
  • les ions piégés ;
  • le spin sur électrons dans des semiconducteurs (silicium).

Le consortium a retenu la piste du silicium en raison de sa taille, sa fiabilité, sa vitesse et sa température d'opération.  Il est le seul au monde, à l'heure actuelle, à avoir démontré des opérations quantiques dans un système à base de spin d'électron piégé dans un circuit quantique produit avec les moyens de la microélectronique. Il regroupe l'ensemble des compétences et expertises requises pour le développement d'un accélérateur quantique : 

  • CEA-Leti : technologies de fabrication de la microélectronique et conception des circuits et des systèmes ;
  • CEA-IRIG : propriétés quantiques des nanostructures à base de silicium et des mesures à très basses températures ;
  • Institut Néel du CNRS : manipulations quantiques des objets individuels ;
  • UGA : algorithmes quantiques proches du hardware.


 Prochaine étape?

Le consortium est parvenu à développer le premier qubit mondial silicium en technologie CMOS en 2018. Les prochaines grandes étapes sont la démonstration de 6 qubits en 2021 puis 100 Qubits en 2024. De nombreux verrous technologiques restent à lever : degrés de liberté, interactions, qualité des matériaux, nombre de connexions entre qubits, méthode d'adressage, méthode de mesure, décohérence, électronique de pilotage à basse température, génération des signaux de contrôle à température ambiante, implémentation des codes correcteurs d'erreur, prise en compte des contraintes de programmation.


FAITS MARQUANTS

  • ERC Synergy obtenu en 2018 entre Tristan Meunier (Institut Néel, CNRS), Silvano de Franceschi (CEA-IRIG) et Maud Vinet (CEA-Leti)
  • Coordination du projet QLSI au sein du Flagship Quantique qui vise à livrer un démonstrateur à 16 qubits en 2024.
  • Un portefeuille déjà constitué d'une dizaine de brevets, qui s'étoffe rapidement


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