Des chercheurs ont mis au point un procédé de fabrication modulaire pour produire un système quantique sur puce qui intègre un ensemble de qubits atomiques artificiels sur une puce semi-conductrice. Crédit : Sampson Wilcox et Linsen Li, RLE, édité
Un nouveau système quantique sur puce permet le contrôle efficace d'un large éventail de qubits, progressant vers des applications pratiques l'informatique quantique.
Des chercheurs à MIT et MITRE ont développé une plateforme matérielle quantique modulaire et évolutive, intégrant des milliers de qubits sur une seule puce, promettant un contrôle et une évolutivité améliorés. Utilisant des centres de couleur diamant, cette nouvelle architecture prend en charge des réseaux de communication quantique étendus et introduit un processus de fabrication innovant de verrouillage et de libération pour intégrer efficacement ces qubits aux technologies de semi-conducteurs existantes.
Potentiel de l'informatique quantique
Imaginez être capable de résoudre rapidement des problèmes extrêmement complexes qui pourraient prendre des décennies au supercalculateur le plus puissant du monde. C'est la promesse des ordinateurs quantiques.
Cependant, pour réaliser cette capacité, il faut construire un système composé de millions de blocs de construction interconnectés appelés qubits. Créer et contrôler autant de qubits dans une architecture matérielle est un énorme défi que les scientifiques du monde entier s'efforcent de relever.
Avancées du matériel quantique
Pour atteindre cet objectif, des chercheurs du MIT et du MITRE ont présenté une plateforme matérielle modulaire et évolutive qui intègre des milliers de qubits interconnectés sur un circuit intégré personnalisé. Cette architecture de « système quantique sur puce » (QSoC) permet aux chercheurs de régler et de contrôler avec précision un réseau dense de qubits. Plusieurs puces pourraient être connectées à l’aide d’un réseau optique pour créer un réseau de communication quantique à grande échelle.
En réglant les qubits sur 11 canaux de fréquence, cette architecture QSoC permet un nouveau protocole proposé de « multiplexage par intrication » pour l'informatique quantique à grande échelle.
Fabrication de puces quantiques innovantes
L'équipe a passé des années à perfectionner un processus complexe de fabrication de réseaux bidimensionnels de atomemicropuces de qubits de la taille d'un qubit et en transférant des milliers d'entre elles sur une puce CMOS (Complementary Metal Oxyde Semiconductor) soigneusement préparée. Ce transfert peut être effectué en une seule étape.
« Nous aurons besoin d’un grand nombre de qubits et d’un contrôle important sur eux pour exploiter pleinement la puissance d’un système quantique et le rendre utile. Nous proposons une toute nouvelle architecture et une technologie de fabrication capables de répondre aux exigences d’évolutivité d’un système matériel pour un ordinateur quantique », explique Linsen Li, étudiant diplômé en génie électrique et informatique (EECS) et auteur principal d’un article sur cette architecture.
Les co-auteurs de Li incluent Ruonan Han, professeur agrégé à l'EECS, chef du Terahertz Integrated Electronics Group et membre du Laboratoire de recherche en électronique (RLE) ; auteur principal Dirk Englund, professeur d'EECS, chercheur principal du groupe de photonique quantique et d'intelligence artificielle et de RLE ; ainsi que d'autres au MIT, à l'Université Cornell, à l'Institut de technologie de Delft, au laboratoire de recherche de l'armée américaine et à la MITRE Corporation. L'article a été publié récemment dans Nature.
Propriétés uniques des centres de couleur de diamant
Bien qu’il existe de nombreux types de qubits, les chercheurs ont choisi d’utiliser des centres de couleur diamant en raison de leurs avantages en matière d’évolutivité. Ils utilisaient auparavant ces qubits pour produire des puces quantiques intégrées avec des circuits photoniques.
Les qubits fabriqués à partir de centres colorés en diamant sont des « atomes artificiels » qui transportent des informations quantiques. Comme les centres colorés en diamant sont des systèmes à semi-conducteurs, la fabrication des qubits est compatible avec les processus modernes de fabrication de semi-conducteurs. Ils sont également compacts et ont des temps de cohérence relativement longs, ce qui fait référence à la durée pendant laquelle l'état d'un qubit reste stable, en raison de l'environnement propre fourni par le matériau en diamant.
De plus, les centres de couleur diamant possèdent des interfaces photoniques qui leur permettent d'être intriqués à distance, ou connectés, à d'autres qubits qui ne leur sont pas adjacents.
« On suppose généralement que l’hétérogénéité du centre de couleur du diamant est un inconvénient par rapport à la mémoire quantique identique comme les ions et les atomes neutres. Cependant, nous transformons ce défi en avantage en exploitant la diversité des atomes artificiels : chaque atome a sa propre fréquence spectrale. Cela nous permet de communiquer avec des atomes individuels en les accordant en tension pour les faire entrer en résonance avec un laser, un peu comme si nous ajustions le cadran d’une petite radio », explique Englund.
Défis de la communication et du contrôle quantiques
Cela est particulièrement difficile car les chercheurs doivent y parvenir à grande échelle pour compenser l’inhomogénéité des qubits dans un grand système.
Pour communiquer entre qubits, ils doivent disposer de plusieurs « radios quantiques » connectées au même canal. La réalisation de cette condition devient presque certaine lors d’une mise à l’échelle sur des milliers de qubits. À cette fin, les chercheurs ont surmonté ce défi en intégrant un large éventail de qubits centraux de couleur diamant sur une puce CMOS qui fournit les cadrans de contrôle. La puce peut être intégrée à une logique numérique intégrée qui reconfigure rapidement et automatiquement les tensions, permettant aux qubits d'atteindre une connectivité complète.
« Cela compense la nature inhomogène du système. Avec la plate-forme CMOS, nous pouvons régler rapidement et dynamiquement toutes les fréquences de qubits », explique Li.
Fabrication de verrouillage et de déverrouillage
Pour construire ce QSoC, les chercheurs ont développé un processus de fabrication permettant de transférer à grande échelle des « microchiplets » de centre de couleur diamant sur un fond de panier CMOS.
Ils ont commencé par fabriquer une gamme de micropuces centrales de couleur diamant à partir d’un bloc de diamant solide. Ils ont également conçu et fabriqué à l'échelle nanométrique des antennes optiques qui permettent une collecte plus efficace des photons émis par ces qubits de centre de couleur dans l'espace libre.
Ensuite, ils ont conçu et cartographié la puce de la fonderie de semi-conducteurs. Travaillant dans la salle blanche du MIT.nano, ils ont post-traité une puce CMOS pour ajouter des supports à micro-échelle qui correspondent au réseau de micropuces en diamant.
Ils ont construit une configuration de transfert interne en laboratoire et appliqué un processus de verrouillage et de libération pour intégrer les deux couches en verrouillant les micropuces de diamant dans les supports de la puce CMOS. Étant donné que les micropuces de diamant sont faiblement liées à la surface du diamant, lorsqu'elles libèrent le diamant en vrac horizontalement, les micropuces restent dans les alvéoles.
« Comme nous pouvons contrôler la fabrication du diamant et de la puce CMOS, nous pouvons créer un motif complémentaire. De cette façon, nous pouvons transférer des milliers de puces de diamant dans leurs supports correspondants en même temps », explique Li.
Les chercheurs ont démontré un transfert de surface de 500 microns par 500 microns pour un réseau de 1 024 nanoantennes en diamant, mais ils pourraient utiliser des réseaux de diamant plus grands et une puce CMOS plus grande pour étendre encore le système. En fait, ils ont découvert qu'avec plus de qubits, le réglage des fréquences nécessite en réalité moins de tension pour cette architecture.
« Dans ce cas, si vous disposez de plus de qubits, notre architecture fonctionnera encore mieux », explique Li.
Perspectives futures et tests de performances
L’équipe a testé de nombreuses nanostructures avant de déterminer le réseau de micropuces idéal pour le processus de verrouillage et de libération. Cependant, fabriquer des micropuces quantiques n’est pas une tâche facile et le processus a pris des années pour se perfectionner.
« Nous avons répété et développé la recette pour fabriquer ces nanostructures de diamant dans la salle blanche du MIT, mais c'est un processus très compliqué. Il a fallu 19 étapes de nanofabrication pour obtenir les micropuces quantiques de diamant, et les étapes n’étaient pas simples », ajoute-t-il.
Parallèlement à leur QSoC, les chercheurs ont développé une approche pour caractériser le système et mesurer ses performances à grande échelle. Pour ce faire, ils ont construit une configuration de métrologie cryo-optique personnalisée.
En utilisant cette technique, ils ont démontré une puce entière avec plus de 4 000 qubits pouvant être réglés sur la même fréquence tout en conservant leur spin et leurs propriétés optiques. Ils ont également construit une simulation de jumeau numérique qui relie l’expérience à la modélisation numérisée, ce qui les aide à comprendre les causes profondes du phénomène observé et à déterminer comment mettre en œuvre efficacement l’architecture.
À l’avenir, les chercheurs pourraient améliorer les performances de leur système en perfectionnant les matériaux utilisés pour fabriquer les qubits ou en développant des processus de contrôle plus précis. Ils pourraient également appliquer cette architecture à d’autres systèmes quantiques à l’état solide.
Ce travail a été soutenu par le programme Quantum Moonshot de MITRE Corporation, la National Science Foundation des États-Unis, le bureau de recherche de l'armée américaine, le Center for Quantum Networks et le programme de recherche et d'innovation Horizon 2020 de l'Union européenne.
