«Vous n’avez pas de chance.» Dans une pièce sans fenêtre, Oliver Dial, le chief technical officer (CTO) d’IBM Quantum, hausse la voix pour couvrir le sifflement de l’air conditionné. «Aujourd’hui, tous nos systèmes sont en fonctionnement. Vous ne pourrez pas en voir l’intérieur», s’excuse-t-il. De chaque côté du laboratoire qu’il fait visiter à L’Usine Nouvelle, quatre cylindres blancs sont suspendus à plus de deux mètres de hauteur, chacun sur un cadre de métal noir. Dans ces cryostats, la température descend sous les - 272 °C. Plus froid que dans le vide intersidéral. En rythme, le système de pompage chargé du refroidissement ajoute un psscht psscht au brouhaha – les Américains disent churp churp. Dans chaque baril métallique se cache une colonne de cinq étages faite de centaines de tubes et de câbles dorés, argentés et cuivrés. Une cathédrale technologique – dont on peut observer une réplique dans le hall du bâtiment – souvent associée au calculateur quantique. Pourtant, de tout le système, seul un petit rectangle noir de la taille d’une carte SIM est, à proprement dit, le processeur quantique. Le reste n’est que connectique et refroidissement, mais cela n’a rien d’accessoire.
«Au début, tout notre travail était focalisé sur la puce, raconte Oliver Dial, les cheveux blancs attachés en catogan. Nous sommes désormais bien plus en avance sur la puce que sur ce qui l’entoure.» Après avoir présenté, à la fin 2022, une machine de 433 qubits – le calculateur à qubits supraconducteur le plus avancé du monde –, l’entreprise s’est fixé un nouvel objectif : créer un système de 100 000 qubits d’ici à 2030. Un changement d’échelle qui exige de repenser toute l’architecture. «Les machines actuelles sont un enfer de maintenance, pointe le docteur en physique formé au MIT. Il faut visser chaque câble cryogénique… Et dans un système de 127 qubits, il y en a près de 500 !» Il brandit un ruban marronnasse : un circuit imprimé flexible, voué à remplacer ces câbles métalliques, qui a demandé un important travail de conception, notamment pour le rendre résistant à l’ultra-froid. L’un des multiples projets menés dans les laboratoires du centre de recherche américain, où plus de 100 personnes sur 1 500 travaillent sur les technologies quantiques. Et où sont fabriqués tous les composants quantiques d’IBM.
Pelouses impeccables, boîtes aux lettres typiques et voitures stationnées sur la driveway, devant le garage. Difficile de faire plus américain que la zone pavillonnaire où se cache le site du groupe, à une cinquantaine de kilomètres de New York, dans la ville de Yorktown Heights. Au bout de la route, un poste de contrôle. Il sécurise l’accès à un bâtiment en demi-lune ouvert sur un vaste parc arboré, qui abrite depuis 1961 les recherches sur les technologies avancées du géant américain. Avec Cambridge et Zurich, c’est l’un des principaux centres de recherche d’IBM sur le quantique. Là, une vingtaine de cryostats – tous de l’entreprise norvégienne Bluefors – permettent aux scientifiques de mener leurs travaux, tant sur les matériaux utilisés pour fabriquer les qubits que sur la connectique et l’électronique de contrôle.
Un laboratoire consacré au refroidissement
Guerin Charles/ABACA Si ces gros cylindres blancs se ressemblent tous – environ 1,5 mètre de hauteur pour 50 centimètres de diamètre –, chacun renferme une expérience différente, avec ou sans puce quantique. Les systèmes de refroidissement eux-mêmes sont sujets à d’importantes recherches. Un laboratoire entier leur est dédié. À l’intérieur, deux cryostats semblables aux autres… mais de toute dernière génération. Prévus pour accueillir les puces Condor (1 121 qubits) et Heron (un assemblage de puces de 133 qubits), ceux-ci seront «poussés à leur limite, souligne Oliver Dial. Chaque dispositif, chaque fil ajoute de la charge thermique. La puce Condor va par exemple nécessiter 1000 câbles micro-ondes». La montée en charge du cryostat se fait au fur et à mesure, les composants internes y sont ajoutés et refroidis chacun leur tour.
D’un laboratoire à l’autre, les générations se succèdent. La balade dans les entrailles du centre permet de constater les évolutions apportées par IBM à ses systèmes. Les racks situés à côté de chaque cryostat, chargés d’envoyer les micro-ondes qui contrôlent les qubits, en sont l’exemple. Les premières installations, les plus expérimentales, sont massives. S’y côtoient oscilloscopes et systèmes radiofréquences, reliés au cylindre par des touffes de fils jaunes et bleus. Dans une autre salle, une ingénieure juchée sur une échelle s’affaire au sommet d’un cryostat relié à la seconde génération – semblable à un dispositif électronique standard. Le CTO nous arrête au milieu d’un espace de l’autre côté du laboratoire. «Vous êtes entre deux des calculateurs quantiques les plus avancés au monde», prévient-il. Dans l’un, une puce de 433 qubits est «utilisée en ce moment même par des clients, via le cloud». L’autre, identique, sera lancée prochainement. Ces calculateurs sont dotés d’un système de contrôle de troisième génération, plus compact, où un seul rack refroidi par eau permet de maîtriser plusieurs qubits. Les nombreux fils bleus ont été remplacés par quelques câbles gainés.
Oliver Dial déverrouille une lourde porte grâce à un scanner d’iris. Nous entrons dans le Gen4 Lab, rarement ouvert au public. Il prévient : «Ici, tout est très sensible à l’électricité statique, il ne faut rien toucher.» D’une boîte de plexiglas orangée, il sort une puce d’à peine un centimètre de côté. La quatrième génération de l’électronique de contrôle représente l’un des sauts générationnels indispensables pour atteindre l’objectif des 100 000 qubits. «Les puces sont pensées pour fonctionner à 4 kelvins [-269 °C, ndlr], dans l’étage supérieur du cryostat, détaille-t-il. Elles dissipent pour l’instant davantage de chaleur que les câbles, mais réduisent la complexité du système.» Déjà fonctionnelles mais pas assez matures, elles permettent d’opérer des qubits avec une qualité de signal encore insuffisante. «Personne n’a jamais manufacturé des milliers de puces électroniques cryogéniques», rappelle le CTO. Reste à les tester. Encore une gageure.
Guerin Charles/ABACA Installation expérimentale d’électronique de contrôle des qubits - Photo C. Guérin - Abaca
Des puces fonctionnelles mais pas assez matures
«Si je demande à mes équipes ce dont elles ont besoin pour créer une puce de 10 000 qubits, elles trouvent des solutions avec les outils existants. Pour 100 000, elles doivent tout casser.» Dans une salle de réunion, le vice-président d’IBM Quantum, Jay Gambetta, souligne la motivation de cet objectif, fixé en parallèle de la feuille de route de l’entreprise qui, elle, cible 4 000 qubits en 2025. «Si nous suivons cette feuille de route, nous risquons de finir dans un cul-de-sac», argue-t-il. Il cite les verrous que ce nouvel horizon demande de lever : concevoir des moyens de communication pour relier plusieurs puces ; développer une couche logicielle intermédiaire pour intégrer des processeurs quantiques dans des supercalculateurs ; améliorer les systèmes de cryogénie, du contrôle des qubits, les câbles internes…
«Il y a tellement de travaux simultanés qu’il nous arrive de nous désynchroniser», admet Oliver Dial. Mais les progrès convergent. En témoignent les ouvriers qui s’affairent autour d’un pan éventré du bâtiment. C’est par là que doit faire son entrée le Quantum System 2, la seconde génération du système quantique intégré que l’entreprise a vendu à l’institut allemand Fraunhofer et à la Cleveland Clinic. «Trop gros pour qu’on ose y croire», le système doit notamment intégrer les technologies de cryogénie les plus avancées du groupe, permettant d’interconnecter plusieurs systèmes de refroidissement pour augmenter ses performances. Impossible d’y jeter un œil : le moindre passage arrête les travaux. Et pourrait faire prendre du retard à sa révélation, prévue à la fin de l’année.
Surplombant les travaux, la bibliothèque du centre abrite des ouvrages scientifiques illustres. Olivia Lanes, la responsable de l’éducation et des relations académiques, souligne l’un des freins aux objectifs d’IBM : «La pénurie de talents est encore pire ici qu’en Europe.» Et même si le géant américain «s’en sort bien» grâce à sa réputation, il met en place des formations de grades bachelor et master pour les postes où un doctorat n’est pas nécessaire. «Il est complexe de définir les compétences dont nous avons besoin, relate la docteure en physique. Nous avons déjà identifié deux domaines : l’ingénierie électrique et micro-ondes et la science computationnelle.» Collaboration avec des universités, accueil de nombreux stagiaires d’été, cours intensifs en ligne… Tout est mis en œuvre pour former rapidement une main-d’œuvre dont l’entreprise, comme ses concurrents, a cruellement besoin pour faire passer ses technologies au stade industriel.
«Il nous faut une supply chain sûre»
Quelle est la volonté derrière votre objectif d’atteindre 100 000 qubits sur une puce d’ici à 2030 ?
Cet objectif implique de nombreuses solutions qui ne relèvent pas de la physique fondamentale, mais de l’ingénierie. Affirmer que nous visons 100 000 qubits est un signal envoyé à nos fournisseurs pour les rassurer sur le fait que nous leur achèterons les nouveaux systèmes qu’ils vont devoir créer.
Votre but est de faire émerger une chaîne d’approvisionnement industrielle ?
Il nous faut une supply chain sûre. Pour les entreprises fournisseuses de technologies, les clients principaux restent des laboratoires et des scientifiques. Ce qui explique que le marché soit dominé par un besoin de flexibilité et de très haute précision. Mais une transition s’engage : les coûts financier et énergétique des équipements vont devenir de plus en plus importants à mesure que les systèmes quantiques vont s’industrialiser. L’un des chantiers sera par exemple de réduire la consommation énergétique des puces, car actuellement chaque qubit consomme 65 watts.
Une fois les machines créées, il faudra pouvoir les utiliser...
Il ne faut pas sous-estimer la supply chain logicielle. Le software est plus difficile à monétiser pour l’instant, mais les start-up du logiciel vont davantage émerger avec les premiers usages. Il y a beaucoup de propriété intellectuelle et de valeur à créer sur ce secteur, car les utilisateurs ne veulent pas avoir à connaître toutes les subtilités des circuits quantiques. #
