Un ordinateur quantique calcule de manière fondamentalement différente d'un ordinateur classique, en exploitant des qubits plutôt que des bits. Faut-il recourir à des matériaux radicalement nouveaux ? Pas nécessairement : les qubits à base de semi-conducteurs offrent des avantages uniques.
Les ordinateurs quantiques doivent tenir des promesses ambitieuses, comme résoudre des problèmes complexes en développement de médicaments, météorologie ou cryptographie bien plus rapidement que les supercalculateurs classiques. Une clé de succès réside dans la création de qubits plus nombreux et de meilleure qualité. Nard Dumoulin Stuyck, doctorant, et Iuliana Radu, directrice de programme dans le groupe dispositifs quantiques d'imec, expliquent comment la technologie des semi-conducteurs permet de produire des qubits uniformes, fiables et scalables.
Les ordinateurs classiques sont des calculateurs sophistiqués, mais limités. Et si nous adoptions les règles de la mécanique quantique ? Les ordinateurs quantiques excelleront dans la reconnaissance de motifs complexes et les calculs parallèles ultra-rapides, affinant les prévisions météo, accélérant la découverte de médicaments ou renforçant la cybersécurité. Bien que les prototypes émergent, ils peinent encore sur les applications phares en raison du faible nombre de qubits.
Comme les bits pour les ordinateurs classiques, les qubits sont les unités d'information quantiques, régis par la mécanique quantique au niveau subatomique. Là, les phénomènes sont contre-intuitifs : les particules existent en superposition, occupant plusieurs états simultanément.
Iuliana Radu précise : « Les bits classiques sont '0' ou '1', mais les qubits – en superposition – sont '0' et '1' à la fois. L'intrication lie leur état, amplifiant la puissance. La superposition permet d'explorer de multiples solutions en parallèle, tandis que l'intrication booste exponentiellement les capacités de calcul. »
Les prototypes actuels comptent 10 à 50 qubits, confinés à des labs coûteux. Pour des applications réelles, des millions de qubits sont nécessaires. « La quantité et la qualité des qubits sont cruciales », note Nard Dumoulin Stuyck, doctorant au groupe dispositifs quantiques d'imec.
« Les qubits imparfaits peuvent être corrigés, mais des qubits supérieurs minimisent les pertes. Ils doivent aussi être produits en masse, de façon fiable et vérifiable. Mon doctorat optimise ces processus pour une scalabilité industrielle. »
Un bon qubit exige homogénéité pour un contrôle précis, et cohérence – durée de maintien de l'état quantique avant décohérence.
Fragiles, les qubits nécessitent un refroidissement cryogénique près du zéro absolu (-273 °C) pour isoler leurs états d'énergie de l'agitation thermique. Cela impose des réfrigérateurs massifs.
Aucune technologie qubit ne domine encore : supraconducteurs (plus nombreux mais volumineux) versus semi-conducteurs (compacts, idéaux pour l'échelle). IBM, Google, Microsoft et Intel, ainsi que gouvernements mondiaux, investissent massivement.
Nard Dumoulin Stuyck développe des qubits semi-conducteurs : « Nous visons une production industrielle via les procédés de puces existants. »
Son travail s'inscrit dans le programme quantique d'imec, axé sur les qubits supraconducteurs et semi-conducteurs via une ligne pilote 300 mm. Iuliana Radu ajoute : « Nos qubits en silicium et oxyde de silicium exploitent l'expertise CMOS. Ils minimisent les spins nucléaires perturbateurs, contrairement à d'autres matériaux. »
