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.
Le choix du silicium
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.