« Créer, avant 2025, la première entreprise européenne proposant des processeurs quantiques à base de silicium. » L’objectif affiché dans la proposition 12 du rapport remis au gouvernement en janvier 2020 par la députée Paula Forteza est aussi audacieux que l’intitulé du document complet, Quantique : le virage technologique que la France ne ratera pas. Un an plus tard, le consortium Quantum Silicon Grenoble (QSG), opérationnel depuis 2019 et constitué de l’Institut de recherche interdisciplinaire de Grenoble (Irig-CEA), du CEA-Leti, du CEA-List et de l’Institut Néel (CNRS), est plus que jamais prêt à relever le défi. Moins avancés que les boucles supraconductrices de Google et IBM et que les ions piégés d’Honeywell et IonQ, les bits quantiques (qubits) à base de silicium ont toutefois le potentiel d’aller bien plus loin. « Nos qubits à base de silicium sont un million de fois plus petits que les qubits supraconducteurs et requièrent les mêmes méthodes de fabrication que les transistors utilisés en informatique classique, indique Tristan Meunier, chercheur à l’Institut Néel. Notre approche s’appuie donc sur l’industrie des semiconducteurs (CMOS), ce qui devrait nous permettre, à terme, de contrôler des milliers de qubits en même temps. » Le graal pour assembler un ordinateur quantique universel.
Températures relativement élevées
À la base de cette approche, le système retenu pour encoder l’information est « le spin d’un électron, un degré de liberté quantique sensible aux champs magnétiques, que l’on utilise pour le contrôler, mais très peu sensible au reste de son environnement », précise Maud Vinet, la responsable du projet QSG au CEA-Leti. Il s’agit donc d’envoyer des charges électriques dans le circuit semiconducteur, en contrôlant le flux des porteurs de charges avec des électrodes – appelées grilles dans l’univers du CMOS. « Exactement comme pour un transistor, à ceci près que l’on veut ici ne faire passer qu’une seule charge », poursuit la chercheuse. Ces « mauvais transistors », comme elle les surnomme, sont appelés boîtes quantiques (quantum dots). Elles sont constituées de ces grilles, qui isolent un à un les spins d’électrons dans un puits de potentiel, le tout « dans une sorte de vide quantique obtenu en utilisant du silicium purifié ». Les équipes de QSG contrôlent ensuite l’information quantique du qubit encodé dans le spin grâce à un champ magnétique alternatif, émis par une antenne radiofréquence.
Autre atout de taille qui laisse Tristan Meunier penser que l’on assiste dans le quantique à la « revanche du silicium » : ces qubits fonctionnent à des températures relativement élevées, comparées aux qubits supraconducteurs, qui doivent être manipulés à quelques millikelvins. « Les travaux de recherche sont aujourd’hui réalisés autour de 100 millikelvins, mais l’ensemble de la communauté est en train de démontrer que tout fonctionne à 1 kelvin », assure Maud Vinet.
Un système à deux grilles par qubit
Avec autant de cordes à son arc, la technologie de qubits silicium attire de nombreux laboratoires (université de Tokyo, université de Nouvelle-Galles du Sud – UNSW – en Australie, université de technologie de Delft – TU Delft – aux Pays-Bas, Institut de microélectronique et composants en Belgique, université de Princeton aux États-Unis…), mais aussi quelques entreprises privées (Intel, NTT, la spin-off de l’UNSW Silicon Quantum Computing…). À ce jour, QuTech, le laboratoire de TU Delft, détient le record de 4 qubits de spins intriqués, avec un système fondé sur le germanium, un métalloïde semiconducteur proche du silicium – une expérience réalisée en septembre 2020. « Mais avec des procédés peu efficaces et difficiles à reproduire à grande échelle, nuance Tristan Meunier. Seuls trois laboratoires se penchent sur la production de qubits sur des lignes semi-industrielles, avec l’ambition d’une mise à l’échelle : chez Intel, à l’Imec et à Grenoble. »
Dans cette course dans la course, la cinquantaine de chercheurs et d’ingénieurs de QSG s’appuie sur la technologie FD-SOI (fully depleted silicon on insulator), inventée par STMicroelectronics, implanté à Grenoble. Une base solide, grâce à laquelle ils veulent explorer une voie sans précédent : fabriquer une boîte quantique à seulement deux grilles par qubit, alors que le reste de la communauté scientifique en utilise généralement treize. « Avec autant de grilles, on a beaucoup plus de mal à faire interagir un grand nombre de qubits les uns avec les autres, résume Maud Vinet. À grande échelle, ce type de système demanderait une connectique colossale et a donc très peu de chances d’être compétitif face aux supercalculateurs actuels. » Un système à deux grilles par qubit, en revanche, promet une maîtrise de plusieurs milliers de qubits, condition sine qua non pour développer un calculateur à tolérance d’erreur, l’ordinateur quantique universel par excellence (LSQ).
Pour déployer sa méthode inédite, le consortium QSG a réuni la recherche fondamentale de l’Irig, la recherche appliquée des laboratoires Leti et List et les compétences en ingénierie de l’Institut Néel. Il s’est également entouré de grands industriels, certains issus du bassin grenoblois, que Tristan Meunier se plaît à nommer la « Silicon Valley française » (STMicroelectronics, Soitec…), mais aussi d’autres français (Orano, Radial, Cryoconcept, récemment racheté par Air liquide…). Sa feuille de route est ambitieuse : livrer 6 qubits en 2021, des démonstrateurs en 2022 et atteindre les 100 qubits en 2024. Le consortium a bénéficié d’un financement commun du CNRS et du CEA, dont le montant reste confidentiel, ainsi que de 14 millions d’euros sur six ans grâce à la bourse européenne ERC Synergy obtenue par Maud Vinet fin 2018.
Battre Intel sur son propre terrain
Quant à l’ambition évoquée par Paula Forteza dans son rapport, commercialiser le premier processeur quantique à base de silicium en Europe d’ici à 2025, les chercheurs répondent également présents. « On ne travaille pas pour être les deuxièmes, surtout quand on met autant de moyens financiers et humains», tranche Tristan Meunier. « Nous aimerions vraiment battre Intel sur son propre terrain ! », abonde Maud Vinet. Forts de leur multidisciplinarité, les chercheurs et ingénieurs de QSG maîtrisent aujourd’hui la technologie à deux grilles. Il leur reste désormais un grand travail d’ingénierie (amélioration de la pureté des matériaux, réduction des besoins en cryogénie, système électronique de pilotage de la future puce quantique…) pour augmenter le nombre de qubits, le temps de cohérence pendant lequel ils sont exploitables, et pour pouvoir les faire interagir.
« Nous avons réussi à obtenir un qubit sous chacune des deux grilles de notre système mais pas encore une porte logique à deux qubits, indique la chercheuse. Quand nous aurons réussi à remplir un réseau d’une centaine de boîtes quantiques et à montrer que nous contrôlons les charges comme bon nous semble, là, j’exulterai. » Un pari que le futur plan quantique français devrait accompagner d’un financement à la hauteur de l’enjeu.
