Un ordinateur quantique calcule d'une manière fondamentalement différente d'un ordinateur traditionnel, en utilisant des qubits au lieu de bits. Devons-nous construire cet ordinateur quantique avec des matériaux fondamentalement différents ? Il s'avère que pas nécessairement, car les qubits construits sur des semi-conducteurs offrent un certain nombre d'avantages spécifiques.
Les ordinateurs quantiques ont des promesses fermes à tenir. Par exemple, ils pourraient résoudre certains problèmes de développement de médicaments, de météorologie ou de cryptage de manière exponentielle plus rapide que les meilleurs supercalculateurs classiques. L'une des conditions importantes pour répondre aux attentes est le développement de qubits beaucoup plus nombreux et qualitativement meilleurs - les supports d'information et donc les éléments constitutifs des ordinateurs quantiques. Nard Dumoulin Stuyck, doctorant et Iuliana Radu, directrice de programme dans les dispositifs quantiques groupe d'imec, expliquent comment ils utilisent les atouts de la technologie des semi-conducteurs pour créer des qubits uniformes et fiables qui peuvent également être produits en grande quantité.
Les ordinateurs classiques sont essentiellement des bouliers très sophistiqués. Et si on changeait radicalement les règles de comptage ? Et si nous pouvions faire calculer les ordinateurs avec les règles de la mécanique quantique ? De tels ordinateurs quantiques seraient alors capables de reconnaître des modèles très compliqués et d'effectuer des calculs parallèles en une fraction du temps qu'il faut pour le meilleur supercalculateur classique. Avec cela, vous pourriez, par exemple, affiner les modèles météorologiques et donner un coup de pouce significatif au développement de médicaments ou rendre le cryptage beaucoup plus sûr. Bien que les premiers ordinateurs quantiques deviennent déjà lentement une réalité, ils ne sont pas encore prêts à réaliser les applications les plus utiles. L'un des plus grands obstacles est le nombre limité de qubits.
Tout comme les bits sont les supports d'information dans les ordinateurs classiques, les bits quantiques ou qubits sont la contrepartie des ordinateurs quantiques. Ils suivent les règles de la mécanique quantique. La mécanique quantique décrit les interactions de petites particules (quanta) à une échelle (sub)atomique. Les lois à cette échelle sont pour le moins bizarres. Dans le monde quantique, par exemple, il serait parfaitement possible d'aller à une belle fête et de regarder Netflix chez soi en même temps. Les particules peuvent résider à plusieurs endroits à la fois; une propriété appelée superposition.
Il en va de même pour les qubits. Iuliana Radu :« Les bits peuvent être '0' ou '1', mais les qubits – en fait des bits superposés – sont '0' et '1' ou les deux à la fois. De plus, si vous deviez calculer avec 1 qubit, cela affecterait également d'autres qubits, conséquence d'une autre propriété quantique, l'intrication. Ces propriétés constituent la base des superpuissances d'un ordinateur quantique. Les calculs parallèles se déroulent beaucoup plus facilement grâce à la possibilité de «superposition»:plusieurs chemins de réponse peuvent être explorés en même temps. En enchevêtrant des particules, vous pouvez augmenter la puissance de traitement de l'ordinateur de façon exponentielle.'
Aujourd'hui, les ordinateurs quantiques les plus avancés ne disposent que de dix à cinquante qubits. Ce sont de grands instruments de laboratoire coûteux avec des capacités limitées. Mais ils montrent les principes sous-jacents. Cependant, pour les applications les plus prometteuses, il faut rapidement quelques millions de qubits. Et c'est là que le bât blesse. «Une condition importante pour un ordinateur quantique utile est que vous ayez suffisamment de qubits», déclare Nard Dumoulin Stuyck, doctorant dans le groupe des dispositifs quantiques à l'imec.
Non seulement le nombre, mais aussi la qualité des qubits jouent un rôle. «En principe, vous pouvez vivre avec des qubits qui font des erreurs de temps en temps, tant que vous avez d'autres personnes pour corriger ces erreurs. Plus les qubits sont bons, moins vous devez sacrifier pour corriger les erreurs. Ensuite, nous parlons de qubits complètement sans erreur. Mais nous n'en sommes pas encore là. De plus, pour travailler efficacement dans un ordinateur quantique, vous devez être capable de créer de bons qubits d'une manière qui puisse être étendue à de grands volumes. Ils doivent aussi être fiables et enfin vérifiables. Optimiser tous ces facteurs ensemble est maintenant le défi. Dans mon doctorat, je me concentre sur l'optimisation du processus de production et sur la qualité des qubits.'
Mais qu'est-ce qu'un « qubit de qualité » ? Une des exigences est une bonne homogénéité. L'avantage des qubits uniformes (ou similaires) est qu'ils sont plus faciles à contrôler.
Une deuxième exigence est la fiabilité, qui peut être exprimée en temps de cohérence. Après tout, les qubits perdent leur "quantité" avec le temps. Par exemple, si un qubit démarre à l'état '1', il se désintégrera spontanément vers un état inconnu (et donc inutile). Plus un qubit fonctionne correctement longtemps, plus vous pouvez effectuer d'opérations avec lui avant que le qubit ne doive être réinitialisé.
Parce que les qubits ont deux états différents ou deux niveaux d'énergie, ils forment un système très fragile. A température ambiante, la différence d'énergie entre les deux états du qubit est trop faible par rapport à l'énergie thermique. En conséquence, le qubit ne peut pas être vérifié, en d'autres termes la particule ne peut jamais être contrôlée ou lue dans un état à température ambiante, mais continue d'exister quelque part entre les deux. Pour contourner ce problème, les qubits sont refroidis à proximité du zéro absolu, c'est-à-dire à des températures autour de -273°C. Ensuite, l'énergie thermique est si petite par rapport à l'énergie du qubit que vous pouvez contrôler le qubit. Mais pour atteindre de telles températures, il faut d'énormes réfrigérateurs (cryogéniques), que les ordinateurs quantiques peuvent rapidement rendre aussi gros qu'une maison.
Quelle technologie utilisez-vous pour faire un bon qubit ? Pour l'instant, personne ne s'accorde sur la meilleure « saveur »; chacun a ses avantages et ses inconvénients. En tout cas, les recherches ne manquent pas. Les Qubits ont fait la transition des laboratoires universitaires à l'industrie précisément en raison de leur énorme potentiel d'applications. Tous les grands acteurs industriels – IBM, Google, Microsoft et Intel – investissent énormément dans les ordinateurs quantiques, tout comme les gouvernements aux États-Unis, en Chine et en Europe, entre autres.
Actuellement, on se concentre beaucoup sur les technologies qubit qui fonctionnent sur les supraconducteurs et les semi-conducteurs. Les supraconducteurs sont les précurseurs actuels en nombre de qubits, mais ces qubits occupent une grande surface. Les qubits des semi-conducteurs sont beaucoup plus petits. Dans un futur où les ordinateurs quantiques auront des millions de qubits, le qubit semi-conducteur est donc très intéressant.
Nard Dumoulin Stuyck travaille pour sa thèse de doctorat sur les qubits semi-conducteurs :« Notre objectif est de développer des qubits dont nous pouvons vraiment augmenter la production en grande quantité, afin qu'ils puissent être produits à l'échelle industrielle. Nous étudions comment nous pouvons y parvenir, en utilisant les processus de production de puces existants. »
Le doctorat de Nard Dumoulin Stuyck s'inscrit dans le cadre plus large du programme quantique de l'imec. L'institut de recherche flamand n'a pas pour objectif immédiat de construire lui-même un ordinateur quantique. Les activités quantiques d'Imec se concentrent sur le soutien de l'écosystème quantique mondial. Premièrement, le centre de recherche se concentre sur le développement de processus de production de qubits, l'amélioration de la qualité et la réduction de la variabilité. Deuxièmement, imec étudie également les circuits personnalisés qui contrôlent les qubits. Ils doivent pouvoir fonctionner aux températures extrêmement froides requises par les qubits. Imec travaille actuellement sur deux types de qubits différents :les qubits à base de supraconducteurs (comme l'ordinateur Google avec 50 qubits) et les qubits à base de semi-conducteurs. Pour cette recherche, imec dispose d'une ligne pilote avec les appareils les plus avancés dans sa salle blanche de 300 mm.
Iuliana Radu explique :« Chez imec, nous développons des qubits semi-conducteurs à base de silicium et d'oxyde de silicium. Ils ont un certain nombre d'avantages spécifiques. Premièrement, ils sont compatibles avec la technologie actuelle des puces; afin que nous puissions tirer parti de l'énorme expérience technologique que nous avons là-bas. Deuxièmement, les qubits de ce type présentent également un avantage physique :l'un des problèmes majeurs des autres matériaux est qu'ils contiennent des spins nucléaires qui réagissent avec le spin électronique des qubits. Vous avez beaucoup moins ce problème si vous travaillez avec des qubits en silicium.
