La course à l'informatique quantique bat son plein. L'Allemagne est depuis longtemps l'un des leaders mondiaux de la recherche fondamentale. Une alliance entre le Forschungszentrum Jülich et le fabricant de semi-conducteurs Infinion, en collaboration avec les instituts de la Fraunhofer-Gesellschaft (IAF, IPMS) ainsi que l'Association Leibniz (IHP, IKZ), les universités de Ratisbonne et de Constance et la start-up quantique HQS, vise maintenant à appliquer les résultats à la production industrielle. L'objectif est un processeur quantique à semi-conducteur fabriqué en Allemagne qui est basé sur le "shuttle" d'électrons et doit être atteint avec la technologie disponible en Allemagne. Le projet QUASAR, qui est financé à plus de 7,5 millions d'euros par le ministère fédéral de l'Éducation et de la Recherche (BMBF), vise à jeter les bases de la production industrielle de processeurs quantiques au cours des quatre prochaines années.

Les ordinateurs quantiques ont le potentiel de surpasser de loin les supercalculateurs conventionnels dans certains problèmes, par exemple lorsqu'il s'agit de contrôler les flux de trafic dans les zones métropolitaines ou de simuler des matériaux au niveau atomique. Mais on ne sait toujours pas quelle approche gagnera la course parmi les ordinateurs quantiques. Expériences avec des qubits supraconducteurs, les plus petites unités d'un ordinateur quantique, sont actuellement les plus avancés. Par exemple, Les puces quantiques de Google et l'ordinateur quantique expérimental du projet européen Quantum Flagship, qui doit entrer en service cette année au Forschungszentrum Jülich, sont basés sur eux. Mais lorsqu'il s'agit d'un grand nombre de qubits, les qubits semi-conducteurs peuvent avoir l'avantage.

« A Jülich, nous étudions les deux types de qubits, à base de semi-conducteurs et à base de supraconducteurs. Il y a de forts effets de synergie, par exemple, dans le développement de logiciels quantiques, le développement de composants et leur intégration dans des architectures informatiques expérimentales, " dit le professeur Wolfgang Marquardt, Président du Conseil d'administration du Forschungszentrum Jülich. "À long terme, nous voulons réaliser un ordinateur quantique librement accessible pour la science à Jülich. Le projet QUASAR est une étape importante pour ce projet, en combinaison avec nos autres activités, comme l'European Quantum Flagship ou la recherche sur les matériaux quantiques."

Les qubits de spin des électrons de silicium sont un système prometteur pour les qubits semi-conducteurs car ils ont des propriétés quantiques relativement robustes et sont beaucoup plus petits que les bits quantiques supraconducteurs. « Un gros avantage est que leur production est largement compatible avec la production de processeurs au silicium. Cela signifie que, en principe, il y a déjà beaucoup d'expérience avec les procédés de fabrication, " déclare le coordinateur du projet, le professeur Hendrik Bluhm, Directeur à l'Institut JARA pour l'information quantique au Forschungszentrum Jülich. Un exemple est Infineon à Dresde :dans le projet, le fabricant allemand de semi-conducteurs apporte son expertise de production en adaptant la conception des composants à la fabrication industrielle.

"Les questions fondamentales doivent encore être clarifiées. Jusqu'à présent, il n'a pas été possible de faire évoluer les puces quantiques aussi facilement que les puces informatiques classiques. Un problème a été les contraintes géométriques. Les qubits doivent généralement être très proches les uns des autres pour pouvoir être couplés les uns aux autres. Par conséquent, les qubits semi-conducteurs ont été démontrés jusqu'à présent principalement dans des composants qui n'ont pas plus de deux qubits couplés proches l'un de l'autre. Pour une architecture évolutive, cependant, nous avons besoin de plus d'espace sur la puce quantique, par exemple pour les lignes d'alimentation et l'électronique de commande, " dit Hendrik Bluhm.

Afin d'augmenter les distances, les chercheurs de la coopération JARA du Forschungszentrum Jülich et de l'université RWTH Aachen, avec d'autres partenaires de recherche, ont développé ce qu'on appelle un bus quantique. Cet élément d'interconnexion spécial permet de combler efficacement des distances allant jusqu'à 10 micromètres entre les qubits individuels. En qubits de silicium, l'information quantique est codée par le spin des électrons situés dans des points quantiques, des structures semi-conductrices nanoscopiques spéciales. Le bus quantique peut capturer les électrons sur ces points quantiques et les transporter de manière contrôlée sans perdre l'information quantique.

Du laboratoire à la production

L'échange d'électrons est également connu sous le nom de "navette". Dans le laboratoire, des échantillons expérimentaux montrent déjà des résultats prometteurs. Désormais, les chercheurs de Jülich souhaitent adapter la conception de l'appareil aux processus de fabrication industriels. À cette fin, ils se sont associés dans le projet QUASAR avec Infineon Dresden, la start-up HQS spécialisée dans les simulations de matériaux en mécanique quantique, instituts de la Fraunhofer-Gesellschaft (IAF, IPMS) ainsi que l'Association Leibniz (IHP, IKZ) et les universités de Ratisbonne et de Constance.

« L'un des défis ici est le degré requis de qualité des matériaux, ce qui est beaucoup plus élevé pour cette application que pour la production de puces informatiques classiques, " dit Hendrik Bluhm. " Un autre point ouvert est la miniaturisation des systèmes de contrôle sur la puce. En principe, cependant, nous voyons un grand potentiel dans cette approche pour les circuits complexes. Des millions de qubits sont réalistes."

Le projet QUASAR se déroulera jusqu'en janvier 2025. La prochaine étape consiste à construire un démonstrateur avec environ 25 qubits couplés, qui sera mis en œuvre dans un projet de suivi et intégré dans l'environnement HPC modulaire du Jülich Supercomputing Center via la "Jülich User Infrastructure for Quantum Computing" (JUNIQ) avec accès au cloud.