« Notre objectif est d’obtenir dans cinq ans un système de 40 000 qubits physiques, ce qui équivaudrait à 250 qubits logiques. On pourrait commencer à réaliser des simulations pour la chimie et à résoudre divers problèmes d’optimisation. » Responsable de l’ingénierie à IQM, Juha Hassel livre un aperçu de l’ambitieuse feuille de route de cette deeptech finlandaise.
Fondée en 2018, IQM conçoit et fabrique des ordinateurs quantiques exploitant des qubits supraconducteurs, à l’instar d’IBM, de Google ou encore d’Alice&Bob. Elle dispose de sa propre salle blanche, installée non loin de son siège social à Espoo, à quelques kilomètres d’Helsinki. De là sortent aujourd’hui des machines équipées de 54 qubits physiques.
Une usine de plus de 100 millions d'euros à Grenoble
De 54 qubits - ou même 150 l’an prochain comme c’est prévu - à plusieurs dizaines de milliers : on mesure l’ampleur de la tâche qui attend les chercheurs et ingénieurs d’IQM. Ce passage à l’échelle (ou « scaling »), qui préoccupe les industriels et deeptechs du secteur, était le thème d’un séminaire organisé par Teratec et IBM début septembre, auquel participait IQM.
Et ce passage à l’échelle sera mis en oeuvre en bonne partie en France. A l’occasion du sommet Choose France en mai dernier, IQM, qui a déjà ouvert un bureau parisien, avait fait part de son projet de construction d’une usine à Grenoble : sa nouvelle génération d’unités de calcul quantique (ou QPU) sera produite en Isère. Le site s’étendra sur plus de 2000 m2 et devrait être mis en service à l’horizon 2027-2028, moyennant un investissement de plus de 100 millions d’euros.
Le choix de Grenoble n’est pas anodin. Le procédé qui autoriserait un tel bond technologique sera co-développé avec le CEA-Leti, à l'aide d'une ligne-pilote de l’organisme de recherche français.
Deux circuits l'un sur l'autre
On parle en effet d’une méthode novatrice d’intégration 3D des futures puces quantiques, qui seraient alors composées de plusieurs couches superposées sur un substrat silicium. La technologie de fabrication actuelle d’IQM ne pourra en effet plus répondre à la complexité croissante des QPU et de leurs connexions, de l’aveu de Juha Hassel.
Pour le moment, l’entreprise finlandaise emploie une technique flip-chip (ou report de puce), courante en microélectronique pour connecter une puce et un substrat l’une au-dessus de l’autre. A la différence près qu’il s’agit ici d’une variante avec des contacts supraconducteurs.
IQM co-intègre ainsi deux circuits : l’un achemine les impulsions micro-ondes de contrôle et de lecture des qubits, l’autre contient ces qubits supraconducteurs, précisément des transmons dont le cœur est constitué de jonctions de Josephson permettant d’encoder l’information.
Un QPU de 20 qubits en requiert en fait 50, compte tenu des transmons supplémentaires couplant plus ou moins fortement les qubits pour former des portes logiques. Il faut dès lors un total de 76 câbles pour manipuler l’ensemble via des signaux RF.
IQM Vue d'artiste d'un QPU actuel d'IQM. Les qubits et les transmons coupleurs forment un sorte de réseau cristallin 2D, un arrangement qui augmente la parallélisation des calculs.
La technique d’intégration 3D employée par IQM a permis de router tous ces signaux jusqu’à maintenant. Mais elle ne pourra plus faire face à la multiplication espérée des qubits par un facteur 1000, qui impose aussi de densifier les QPU.
Avec leur partenariat, IQM et le CEA-Leti parient toujours sur le flip-chip mais aussi sur des vias traversants (ou TSV, through silicon vias) pour réaliser des interconnexions au-travers de plusieurs couches de circuits QPU et de routage de signal superposées. Une technique là aussi inspirée de la microélectronique, si ce n’est que « ces TSV ne seront pas en cuivre mais faits à partir de matériaux supraconducteurs », précise Juha Hassel.
Un démonstrateur du CEA-Leti sur le packaging quantique
Lequel est conscient de l’effort en R&D : « Notre plus gros défi en matière d’ingénierie sera de réussir à acheminer tous les signaux micro-ondes pour contrôler des dizaines de milliers de qubits ».
Il pourrait même être question d’ajouter les circuits d’électronique de contrôle dans cette structure 3D, donc à l’intérieur même du cryostat. « Mais c’est également possible que cette électronique demeure à température ambiante », indique Juha Hassel, qui pointe le faible réservoir énergétique à de si faibles températures. Le développement d’une cryo-électronique, en particulier pour les qubits supraconducteurs, est par ailleurs l’un des objectifs du projet européen Arctic.
Juha Hassel ne plonge pas plus dans les détails. Mais le CEA-Leti, sur son site web, donne quelques indices supplémentaires : il a d’ores-et-déjà réalisé un démonstrateur de « packaginq quantique », qui fait appel à un interposeur en silicium pour relier le QPU avec l’électronique de mesure et de contrôle grâce à des interconnexions supraconductrices. Une technologie d’intégration compatible avec « n’importe quel type de qubit fait de n’importe quel matériau ». Les TSV supraconducteurs sont évoqués pour les futurs développements. On peut imaginer que tout cela sera utile à IQM…
