Rapports de l'IMEC sur les progrès de l'informatique quantique

Imec a rendu compte des progrès vers l'informatique quantique. Selon Imec, la vision à long terme de l'informatique quantique est la capacité d'exploiter des millions de qubits sans bruit pour résoudre des problèmes spécifiques difficiles à résoudre avec des ordinateurs classiques.

Des efforts mondiaux sont en cours pour passer de centaines à des millions de qubits. Les défis courants incluent l’intégration bien contrôlée des qubits dans les installations de tranches de grande taille et la nécessité d’interfacer l’électronique avec le nombre croissant de qubits.

Les circuits quantiques supraconducteurs sont sans doute devenus la plateforme la plus développée. Les états énergétiques des qubits supraconducteurs sont relativement faciles à contrôler et les chercheurs ont pu coupler plus d’une centaine de qubits ensemble.

Cela permet d’atteindre un niveau d’intrication toujours plus élevé – l’un des piliers de l’informatique quantique. En outre, des qubits supraconducteurs présentant des temps de cohérence longs (jusqu'à plusieurs 100 µs) et des fidélités de grille suffisamment élevées – deux références importantes pour le calcul quantique – ont été démontrés dans des laboratoires du monde entier.

En 2022, les chercheurs d’Imec ont franchi une étape importante vers la réalisation d’un processus CMOS de 300 mm permettant de fabriquer des qubits supraconducteurs de haute qualité. Montrer que la fabrication de qubits hautes performances est compatible avec les processus industriels répond au premier obstacle fondamental à la mise à l'échelle, à savoir l'amélioration de la variabilité et du rendement. Parmi les défis restants figure la nécessité de développer une instrumentation évolutive pour s'interfacer avec le nombre croissant de qubits supraconducteurs sensibles au bruit.

À plus long terme, on attend beaucoup des qubits basés sur le spin Si. Les qubits de spin Si sont plus difficiles à contrôler que les qubits supraconducteurs, mais ils sont nettement plus petits (taille en nm par rapport à la taille en mm), ce qui donne un avantage pour la mise à l'échelle.

En outre, la technologie est hautement compatible avec les technologies de fabrication CMOS, offrant une uniformité à l’échelle de la tranche avec une interconnexion avancée en fin de ligne des structures de points quantiques de Si.

Cependant, les structures de points quantiques à base de Si fabriquées avec des techniques de fabrication industrielles présentent généralement un bruit de charge plus élevé. Leur petite taille physique rend également l’interconnexion de contrôle qubit à qubit et qubit à classique plus difficile.

L’augmentation indispensable du nombre de qubits nécessite des solutions polyvalentes et évolutives pour les contrôler et lire des résultats significatifs. Dans les premiers processeurs quantiques d'aujourd'hui, des circuits électroniques externes sont utilisés avec au moins une ligne de contrôle par qubit allant de l'étage à température ambiante à l'étage à température la plus basse du réfrigérateur à dilution qui contient les qubits.

Cette température de base est aussi basse que dix milliKelvin (mK) pour les systèmes informatiques quantiques supraconducteurs. Une telle approche peut être utilisée pour quelques milliers de qubits, mais ne peut pas être retenue pour les ordinateurs quantiques à grande échelle qui nécessitent des opérations de circuit dynamiques telles que la correction d'erreurs quantiques.

Non seulement les lignes de contrôle et de lecture contribuent à un énorme goulot d'étranglement d'E/S au niveau du réfrigérateur à dilution, mais chaque fil apporte également de la chaleur au système cryogénique sans qu'il ne reste aucun budget pour les refroidir.

Une solution intéressante consiste à utiliser une cryoélectronique basée sur CMOS qui maintient les éléments de (dé)multiplexage RF fonctionnant à la température de base du réfrigérateur à dilution. Une telle solution atténue le goulot d'étranglement des E/S, car le nombre de fils allant de la température ambiante à la température mK peut être considérablement réduit.

Pour la lecture, par exemple, les multiplexeurs permettraient de commuter plusieurs signaux provenant d'un groupe de dispositifs quantiques vers une ligne de sortie commune à la température de base du réfrigérateur à dilution avant de quitter le réfrigérateur.

Cette approche a déjà été démontrée pour les systèmes quantiques de qubits de spin Si. Cependant, jusqu’à présent, l’électronique cryogénique n’a pas été interfacée avec des qubits supraconducteurs en raison de leur tolérance nettement inférieure au bruit électromagnétique haute fréquence. Qu’il s’agisse de chaleur dissipée ou de rayonnement électromagnétique, le bruit peut facilement perturber des superpositions quantiques fragiles et conduire à des erreurs.