Les futurs qubits de C12 prendront leur source à la Montagne Saint-Geneviève. C’est en effet dans ce quartier de Paname que la deeptech francilienne a implanté sa Fab quantique, grâce à laquelle elle fabriquera des ordinateurs quantiques basés des structures atomiques singulières : des nanotubes de carbone.
L’installation, ouverte depuis le printemps dernier, a été inaugurée ce vendredi 27 octobre 2023, en présence de Jean-Noël Barrot, ministre délégué chargé du numérique, et Valérie Pécresse, présidente de la région Île-de-France.
Cet emplacement dans le 5e arrondissement de Paris répond au critère essentiel formulé par la deeptech, qui indique avoir évalué plusieurs sites à l’aide de capteurs : éloigné des grands axes de circulation routière et des voies ferrées, il n’est que très peu exposé aux vibrations mécaniques et perturbations électromagnétiques susceptibles d’affecter la fabrication et le test des qubits.
Un investissement proche de 9 millions d'euros
Lesquels ont commencé. « Notre Fab quantique est quasi-opérationnelle à 100%, il ne manque qu’une machine », sourit Pierre Desjardins, directeur général et cofondateur de C12 (parfois appelée C12QE, QE pour quantum electronics) avec son frère jumeau Matthieu Desjardins, qui occupe le poste de directeur technique.
La fabrique de C12 s’étage sur deux sous-sols, si l’on fait abstraction du rez-de-chaussée réservé à la conception et aux opérations (voir encadré ci-dessous). Selon Pierre Desjardins, l’investissement total est proche de 9 millions d’euros, une grande partie étant due à l’équipement.
On peut s’interroger sur le fait qu’une deeptech du calcul quantique mobilise une telle somme pour se doter de son propre outil de production, sans horizon commercial immédiat. « Nous avons fait le choix stratégique d’investir tôt pour maîtriser toutes les étapes de la chaîne de production, répond Pierre Desjardins. Ainsi nous gagnons en qualité et en flexibilité, car nous pouvons itérer nos opérations très rapidement. »
En marge du concours de qubits que se livrent les majors du quantique, Pierre Desjardins insiste sur cette notion de qualité : « Le nombre de qubits est important, mais pas suffisant. On doit pouvoir progresser à la fois en qualité et en quantité. » A l’en croire, les derniers résultats scientifiques des chercheurs de C12, en cours en revue par les pairs, poseront un « gros jalon technique en terme de qualité ».
Un électron pris au piège dans un nanotube de carbone
En ce qui concerne la quantité, C12 ne partage donc aucune feuille de route et se concentre pour le moment sur des puces en silicium à un ou deux qubits. Sa technologie met en œuvre des travaux initiés par Takis Kontos, directeur de recherche au CNRS.
« Nous sommes capables de piéger un électron unique dans un nanotube de carbone et de manipuler son spin pour y encoder de l’information quantique », explique Pierre Desjardins. Selon lui, trois preuves expérimentales ont élevé le nanotube de carbone au rang de « meilleur matériau » pour former un qubit.
« Le nanotube de carbone est protégé contre la perturbation électrique (bruit en charge) – une étude publiée fin 2022 a montré le plus bas bruit en charge au monde -, contre la perturbation magnétique, l’isotope 12 du carbone ne possédant pas de spin nucléaire, et contre les vibrations mécaniques à l’échelle nanoscopique, car les modes vibratoires d’une structure 1D sont connus et peuvent être facilement découplés », détaille-t-il.
Les nanotubes de carbone, positionnés grâce à un procédé breveté d’une grande précision (voir encadré), sont maintenus à l'horizontale sur la puce en silicium grâce aux forces de Van der Walls. Un bus de communication quantique assure l’intrication des qubits (leurs états quantiques sont liés), un des phénomènes grâce auquel l’ordinateur quantique surpassera son équivalent classique, quand il verra le jour.
Levée de fonds en préparation
Cette même puce en silicium sert à contrôler l’état quantique des qubits, grâce à des impulsions micro-ondes, et à lire les résultats quand des algorithmes quantiques sont traités.
Les propriétés exceptionnelles des nanotubes de carbone et la construction de la Fab quantique, symbole d’un changement d’échelle, rendent Pierre Desjardins confiant : « Nous sommes les plus en avance sur la deuxième génération de calculateurs quantiques ». Une génération qu’il situe après celle de Pasqal, autre deeptech française dont la technologie fait appel à des atomes froids.
Pasqal a cependant une large avance dans l’esprit des investisseurs, ce dont témoigne son financement record de 100 millions d’euros en janvier 2023. C12 n’a levé qu’un dixième de cette somme pour l’instant - c'était en 2021 -, mais prépare un nouveau tour de table pour poursuivre son développement.
Poser un cheveu à la surface de Paris
Outre les bureaux réservés à la trentaine de collaborateurs, le rez-de-chaussée de la Fab quantique est occupé par une petite salle protégée par un vitrage. « On y opère les calculs quantiques », informe Pierre Desjardins. Un premier cryostat à l’air libre dévoile le « chandelier » qui plonge les qubits supraconducteurs de C12 à une température de quelques millièmes de Kelvin.
A l’extrémité basse de cette structure cuivrée sont fixées « deux puces de deux qubits chacune », précise Pierre Desjardins, avant de désigner quelques mètres plus loin un second cryostat, plus perfectionné, qui refroidira « une centaine de qubits », ce qui donne un ordre d'idée sur les ambitions de la deeptech.
Un escalier en colimaçon mène au sol-sol, qui renferme la « manufacture » de qubits. « Le processus comprend quatre étapes : la production des semi-conducteurs, la production des nanotubes de carbone, la sélection des meilleurs nanotubes et enfin le nano-assemblage de ces deux composants », énumère Pierre Desjardins.
La première salle est employée à la fabrication des nanotubes de carbone, d’un à deux nanomètres de diamètre. « Les trois ingrédients sont le gaz – un mélange d’argon, d’hydrogène, et de méthane notamment, un catalyseur et la chaleur, précise Pierre Desjardins, mais cette technique ne fait l’objet d’aucun brevet. » Quelque 600 nanotubes sont produits chaque semaine, selon C12.
Cette machine permet d'assembler les nanotubes de carbone et les puces en silicium sous-jacentes.
C’est dans la pièce adjacente que ces nanotubes sont contrôlés par spectroscopie Raman et Rayleigh. L’appareillage commet une « carte d’identité spectrale », dont les propriétés des nanotubes sont déduites, et traque le plus petit défaut, comme une lacune atomique. Les nanotubes ne seront pas tous parfaits à la sortie, mais « plus ils sont homogènes, moins on doit les calibrer pour rattraper les petites erreurs », fait remarquer Pierre Desjardins.
Située une dizaine de mètres plus loin, une salle blanche regroupe plusieurs machines qui produisent les puces en silicium, de taille centimétrique, qui recueilleront plus tard les nanotubes de carbone, longs de 30 micromètres avant leur intégration.
Le nano-assemblage est réalisé quelques mètres plus bas, au deuxième sous-sol. « Le robot intègre le nanotube à la puce en silicium, ce qui revient à poser un cheveu à la surface de Paris. Nous travaillons pour que le positionnement du nanotube soit précis à la rue près », poursuit Pierre Desjardins en adepte de la métaphore. Un procédé qui, lui, a été breveté. « C’est le cœur de notre technologie », reconnaît-il.
