Dans le cadre d'une étape majeure vers la réalisation d'ordinateurs quantiques pratiques, les ingénieurs de Princeton ont construit un qubit supraconducteur qui dure trois fois plus longtemps que les meilleures versions actuelles.
« Le vrai défi, ce qui nous empêche d'avoir des ordinateurs quantiques utiles aujourd'hui, c'est que vous construisez un qubit et que les informations ne durent tout simplement pas très longtemps », a déclaré Andrew Houck, doyen de l'ingénierie et co-chercheur principal de Princeton. « C'est le prochain grand pas en avant. »
Dans un article de la revue Naturel'équipe de Princeton rapporte que leur nouveau qubit dure plus d'une milliseconde. C'est trois fois plus long que le meilleur jamais enregistré en laboratoire, et près de 15 fois plus long que la norme industrielle pour les processeurs à grande échelle.
Les chercheurs ont construit une puce quantique entièrement fonctionnelle basée sur ce qubit pour valider ses performances, éliminant ainsi l'un des principaux obstacles à une correction d'erreurs efficace et à l'évolutivité des systèmes industriels.
La nouvelle conception des qubits est similaire à celles déjà utilisées par de grandes entreprises comme Google et IBM, et pourrait facilement être intégrée aux processeurs existants, selon les chercheurs. Remplacer les composants de Princeton par le meilleur processeur quantique de Google, appelé Willow, lui permettrait de fonctionner 1 000 fois mieux, a déclaré Houck. Les avantages du qubit de Princeton augmentent de façon exponentielle à mesure que la taille du système augmente, donc l'ajout de qubits supplémentaires apporterait des avantages encore plus importants.
Un meilleur matériel est essentiel pour faire progresser les ordinateurs quantiques
Les ordinateurs quantiques ont montré leur potentiel pour résoudre des problèmes qui ne peuvent être résolus avec les ordinateurs conventionnels. Mais les versions actuelles en sont encore aux premiers stades de développement et restent limitées. Cela est principalement dû au fait que le composant de base des ordinateurs quantiques, le qubit, échoue avant que les systèmes puissent exécuter des calculs utiles.
L'extension de la durée de vie du qubit, appelée temps de cohérence, est essentielle pour permettre aux ordinateurs quantiques d'effectuer des opérations complexes. Le qubit de Princeton marque la plus grande avancée en matière de temps de cohérence depuis plus d’une décennie.
Alors que les ingénieurs étudient toute une gamme de technologies pour développer des qubits, la version de Princeton s'appuie sur un type de circuit appelé qubit transmon.
Les qubits Transmon, utilisés par des entreprises telles que Google et IBM, sont des circuits supraconducteurs qui fonctionnent à des températures extrêmement basses. Leurs avantages incluent une tolérance relativement élevée aux interférences extérieures et une compatibilité avec la fabrication électronique actuelle.
Mais le temps de cohérence des qubits transmon s’est avéré extrêmement difficile à prolonger. Des travaux récents de Google ont montré que la principale limitation rencontrée dans l'amélioration de leur dernier processeur réside dans la qualité matérielle des qubits.
L’équipe de Princeton a adopté une approche en deux volets pour repenser le qubit. Premièrement, ils ont utilisé un métal appelé tantale pour aider les circuits fragiles à préserver l’énergie. Deuxièmement, ils ont remplacé le substrat saphir traditionnel par du silicium de haute qualité, matériau standard de l’industrie informatique.
Pour faire pousser du tantale directement sur du silicium, l’équipe a dû surmonter un certain nombre de défis techniques liés aux propriétés intrinsèques des matériaux. Mais ils ont fini par l’emporter, libérant ainsi le profond potentiel de cette combinaison.
Nathalie de Leon, codirectrice de la Quantum Initiative de Princeton et co-chercheuse principale du nouveau qubit, a déclaré que non seulement leur puce au tantale-silicium surpasse les conceptions existantes, mais qu'elle est également plus facile à produire en masse. « Nos résultats repoussent vraiment l'état de l'art », a-t-elle déclaré.
Michel Devoret, scientifique en chef du matériel chez Google Quantum AI, a déclaré que le défi consistant à prolonger la durée de vie des circuits informatiques quantiques était devenu un « cimetière » d'idées pour de nombreux physiciens. « Nathalie a vraiment eu le courage de poursuivre cette stratégie et de la faire fonctionner », a déclaré Devoret, lauréat du prix Nobel de physique 2025.
Les co-auteurs principaux de l'article sont le chercheur postdoctoral Faranak Bahrami et l'étudiant diplômé Matthew P. Bland.
L'utilisation du tantale rend les puces quantiques plus robustes
Houck, professeur Anthony HP Lee '79 P11 P14 de génie électrique et informatique, a déclaré que la puissance d'un ordinateur quantique dépend de deux facteurs. Le premier est le nombre total de qubits liés ensemble.
La seconde concerne le nombre d’opérations que chaque qubit peut effectuer avant que les erreurs ne prennent le dessus. En améliorant la qualité des qubits individuels, le nouveau document fait progresser les deux. Plus précisément, un qubit plus durable aide à résoudre les plus grands obstacles de l'industrie : la mise à l'échelle et la correction des erreurs.
La source d’erreur la plus courante dans ces qubits est la perte d’énergie. De minuscules défauts de surface cachés dans le métal peuvent piéger et absorber l’énergie lors de son déplacement dans le circuit. Cela entraîne une perte rapide d'énergie du qubit lors d'un calcul, introduisant des erreurs qui se multiplient à mesure que de nouveaux qubits sont ajoutés à une puce.
Le tantale présente généralement moins de ces défauts que les métaux plus couramment utilisés comme l’aluminium. Moins d’erreurs permettent également aux ingénieurs de corriger plus facilement celles qui se produisent.
Houck et de Leon, professeur agrégé de génie électrique et informatique, ont introduit pour la première fois l'utilisation du tantale pour les puces supraconductrices en 2021 en collaboration avec le chimiste de Princeton Robert Cava, professeur de chimie Russell Wellman Moore. Bien qu'il n'ait aucune expérience en informatique quantique, Cava, un expert en matériaux supraconducteurs, s'était inspiré d'un discours prononcé par De Leon quelques années plus tôt, et les deux hommes avaient entamé une conversation continue sur les matériaux qubits.
Finalement, Cava a souligné que le tantale pourrait offrir plus d’avantages et moins d’inconvénients. « Puis elle est allée et l'a fait », a déclaré Cava, faisant référence à de Leon et à l'ensemble de l'équipe. « C'est ce qui est incroyable. »
Les chercheurs des trois laboratoires ont suivi l'intuition de Cava et ont construit un circuit de tantale supraconducteur sur un substrat de saphir. La conception a démontré une augmentation significative du temps de cohérence, conforme au record du monde.
Le principal avantage du tantale est qu'il est exceptionnellement robuste et peut survivre au nettoyage rigoureux nécessaire pour éliminer la contamination du processus de fabrication. « Vous pouvez mettre du tantale dans de l'acide sans que ses propriétés ne changent », a déclaré Bahrami, co-auteur principal du nouvel article.
Une fois les contaminants éliminés, l’équipe a trouvé un moyen de mesurer les prochaines sources de perte d’énergie. La majeure partie des pertes restantes provenait du substrat saphir. Ils ont remplacé le saphir par du silicium, un matériau largement disponible et d’une pureté extrêmement élevée.
La combinaison de ces deux matériaux tout en affinant les techniques de fabrication et de mesure a conduit à l'une des plus grandes améliorations de l'histoire du transmon. Houck a qualifié ce travail de « percée majeure sur la voie d’une informatique quantique utile ».
Étant donné que les améliorations évoluent de façon exponentielle avec la taille du système, Houck a déclaré qu'échanger le meilleur de l'industrie actuelle contre la conception de Princeton permettrait à un hypothétique ordinateur de 1 000 qubits de fonctionner environ un milliard de fois mieux.
L’utilisation du silicium prépare les nouvelles puces à l’échelle industrielle
Le travail rassemble une expertise approfondie dans la conception de dispositifs quantiques et la science des matériaux. Le groupe de Houck est spécialisé dans la construction et l'optimisation de circuits supraconducteurs ; le laboratoire de de Leon se concentre sur la métrologie quantique et sur les matériaux et les processus de fabrication qui sous-tendent les performances des qubits ; et l'équipe de recherche de Cava a passé trois décennies à l'avant-garde des matériaux supraconducteurs.
La combinaison de leurs expertises a donné des résultats qui n'auraient pas pu être obtenus seuls. Ces résultats ont désormais attiré l’attention de l’industrie.
Devoret, le scientifique de Google, qui est également professeur de physique à l'Université de Californie à Santa Barbara, a déclaré que les partenariats entre les universités et l'industrie sont importants pour repousser les frontières de la technologie.
« Il existe une relation plutôt harmonieuse entre l'industrie et la recherche universitaire », a-t-il déclaré. Les laboratoires universitaires sont bien placés pour se concentrer sur les aspects fondamentaux qui limitent les performances d’un ordinateur quantique, tandis que l’industrie transpose ces avancées dans des systèmes à grande échelle.
« Nous avons montré que c'était possible avec le silicium », a déclaré de Leon. « Le fait que nous ayons montré quelles sont les étapes critiques et les caractéristiques sous-jacentes importantes qui permettront ce type de temps de cohérence facilite désormais l'adoption par quiconque travaille sur des processeurs à grande échelle. »
