Le froid extrême. C’est l’une des principales différences entre une puce quantique et un processeur conventionnel. Dans la plupart des technologies explorées, les qubits – l’équivalent quantique des processeurs – doivent être maintenus à des températures absolument basses pour fonctionner. Plus froides que celles mesurées dans le vide intersidéral. Cette contrainte majeure pose nombre de verrous. Qu’il faut déverrouiller pour faire de l’ordinateur quantique une réalité industrielle.
C’est avec cet objectif qu’a été lancé, début 2024, le projet européen Arctic (pour Recherches avancées sur les technologies cryogéniques pour le calcul innovant). Très structurant pour l’écosystème, ce programme de trois ans mobilise une enveloppe de 34,6 millions d’euros (dont 11 apportés par la Commission européenne) et 36 partenaires, dont 23 entreprises, venus de 11 pays.
Se rapprocher des méthodes des semi-conducteurs
La délégation française est à l’image de la mixité des participants, entre jeunes pousses, instituts de recherche et industriels du semi-conducteur : deux start-up, Quobly et Alice & Bob, le CEA et STMicroelectronics. «L’objectif et l’intérêt de ce programme est la création d’une chaîne de valeur avec différents partenaires, estime Nicolas Daval, chargé du projet chez Quobly. Nous sommes venus avec des partenaires historiques comme le CEA, un gros acteur d’Arctic, et d’autres qui pourraient le devenir. Ce projet permet de se tester et peut amener à des collaborations plus étroites.»
Dans son groupe de travail, la start-up grenobloise coopère ainsi avec le finlandais QuantrolOx et Qblox, spin-off de l’université néerlandaise de Delft. Au programme, un défi à la frontière de la recherche et de l’industrie, comme le calcul quantique sait si bien les faire. «On cherche à tester nos wafer à grande échelle directement en sortie de fabrication, précise Nicolas Daval. C’est un gros enjeu pour la maîtrise et l’amélioration de nos procédés.»
Le rapport avec la cryogénie ? «Pour tester un qubit jusqu’au bout, nous sommes obligés de descendre à basse température», rappelle le responsable. Problème : refroidir un système à quelques milli Kelvins prend plusieurs heures. L’objectif est donc de «tester tout ce que l’on peut à haute température», explique-t-il. Pour gagner du temps et se rapprocher des méthodes et des rendements de l’industrie des semi-conducteurs.
Des systèmes extrêmement sensibles
«Arctic est un projet énorme, car il s’attaque à plein de sujets», note Cécile Perrault, cheffe de l’innovation et des partenariats chez Alice & Bob. Pour preuve, le projet mené par la start-up parisienne n’a, à part le froid, rien à voir avec celui de sa compatriote. Le sien vise à améliorer les amplificateurs (ou TWPA, pour traveling waves parametric amplifier), «un composant très important dans l’utilisation d’un ordinateur quantique supraconducteur», dit-elle.
Pour comprendre l’importance de cet élément, il faut rappeler pourquoi les puces quantiques sont plongées dans le froid absolu. Ce sont des systèmes extrêmement sensibles, que même les rayonnements solaires peuvent perturber. Le froid et le vide qui règnent dans le cœur d’un calculateur quantique servent, entre autres, à couper sa puce du monde extérieur.
Mais ce qui sert dans un sens pénalise dans l’autre : comment lire les informations de la puce si elle est dans un vase clos ? C’est le travail de l’amplificateur, qui capte le discret signal des qubits pour le faire remonter aux étages supérieurs du calculateur – où il fait moins froid – jusqu’à l’électronique de contrôle.
«Pour l’instant, nous achetons des dispositifs commercialisés notamment par le centre de recherche VTT en Finlande et la start-up SilentWaves en France, note Jean-Loup Ville, physicien détaché sur le projet à temps partiel par Alice & Bob. Tout le monde en a besoin, mais ils restent assez chers – environ 20000 euros pièce – donc nous devons parvenir à les fabriquer autrement.»
Concevoir des amplificateurs optimisés
L’importance du projet dans le passage à l’échelle de la technologie est indéniable : si aujourd’hui un TWPA peut lire les signaux de huit qubits au maximum, il faudra relever ce seuil. Car «il faut se rappeler qu’un ordinateur quantique utile compte des milliers de qubits», note Cécile Perrault, et qu’il est impossible d'installer des centaines d'amplificateurs autour de la puce.
Si VTT est partie prenante directe du projet, SilentWaves n’y participe que via le CEA, dont elle est issue. Tous deux planchent sur de nouvelles conceptions d’amplificateurs optimisés. «On est là pour que ça ne soit pas qu’un projet de recherche, on leur impose d’avoir une rigueur industrielle sur leurs process manufacturiers», affirme la responsable. «L’industrialisation, c’est ce qui est visé à la fin», abonde de son côté Nicolas Daval de Quobly.
L’ampleur du projet Arctic met en lumière le nombre de défis qu’il reste à relever pour faire du calcul quantique une technologie industrielle. «L’ordinateur quantique a besoin de nombreux composants interconnectés qui doivent rester parfaits, souligne Jean-Loup Ville. Les amplificateurs, l’électronique de contrôle, les systèmes de refroidissement… Tout est en train de se créer et il faut parvenir à tout débuguer à la fois.»
