Les ordinateurs quantiques promettent d'affecter considérablement certains domaines d'application, notamment la synthèse de matériaux, le développement de médicaments pharmaceutiques et la cybersécurité, pour n'en nommer que quelques-uns.

Dans le modèle de calcul de circuit quantique, une porte logique quantique (ou simplement porte quantique) est une opération de base sur un petit nombre de qubits, qui est analogue à une porte logique classique pour les circuits numériques conventionnels. Les qubits sont les éléments constitutifs des circuits quantiques. Différentes plates-formes informatiques quantiques avec divers types de qubits sont en cours de développement et des efforts mondiaux sont en cours pour les faire passer du laboratoire au monde.

L'une des technologies prometteuses pour l'informatique quantique utilise des circuits supraconducteurs. Anton Potočnik, chercheur principal en informatique quantique à l'IMEC, déclare :« Les états énergétiques des qubits supraconducteurs sont relativement faciles à contrôler et, au fil des années, les chercheurs ont pu coupler un nombre croissant de qubits ensemble. niveau d'intrication plus élevé - qui est l'un des piliers de l'informatique quantique.De plus, des groupes de recherche du monde entier ont démontré des qubits supraconducteurs avec des temps de cohérence longs (jusqu'à plusieurs 100 µs) et des fidélités de grille suffisamment élevées - deux références importantes pour le calcul quantique ."

Alors que le temps de cohérence nous donne des informations sur la durée pendant laquelle un qubit conserve son état quantique (et donc ses informations), la fidélité de la porte quantifie la différence de fonctionnement entre une porte idéale et la porte physique correspondante dans le matériel quantique.

Mise en œuvre à grande échelle entravée par des problèmes de variabilité

Les résultats encourageants mentionnés ci-dessus n'ont jusqu'à présent été obtenus qu'à l'échelle du laboratoire, en utilisant des techniques d'évaporation et de décollage à double angle pour fabriquer l'élément le plus critique :la jonction Josephson. "Le qubit supraconducteur est essentiellement un circuit résonateur LC non linéaire, contenant une inductance non linéaire (L) et un condensateur (C)", explique Anton Potočnik.

"La jonction Josephson joue le rôle d'un inducteur non linéaire et non dissipant, ce qui nous permet de manipuler les états d'énergie des qubits pour représenter, par exemple, une superposition de 10> et 11>. Pour minimiser les pertes d'énergie ou, dans autrement dit, maximiser le temps de cohérence, les différentes interfaces contenues dans les structures qui composent la jonction et le condensateur doivent être les plus propres possible, même un seul défaut atomique présent à l'une des interfaces peut faire perdre de l'énergie au qubit. l'évaporation et le décollage à double angle sont les techniques de fabrication préférées :elles peuvent fournir ces interfaces extrêmement propres. »

Mais ces techniques de fabrication ont un sérieux inconvénient :elles défient une nouvelle mise à l'échelle vers un plus grand nombre de qubits. La mise en œuvre à grande échelle est entravée par la variabilité de l'énergie Josephson de la jonction évaporée. De plus, la technique de fabrication limite le choix du matériau supraconducteur et, par conséquent, le potentiel d'amélioration du qubit.

Une approche alternative utilisant des techniques de fabrication compatibles CMOS

Jeroen Verjauw, Ph.D. chercheur à l'IMEC, déclare :"Notre équipe à l'IMEC a exploré d'autres moyens de fabriquer les circuits supraconducteurs. Notre objectif était de créer des jonctions Josephson à chevauchement en utilisant uniquement des matériaux et des techniques compatibles CMOS, car cela permet de tirer parti de la fiabilité et de la reproductibilité offertes par des étapes de traitement CMOS de pointe pour contrôler la variabilité et faciliter la mise à l'échelle."

Les jonctions superposées ont deux électrodes (inférieure (BE) et supérieure (TE)) séparées par une fine couche isolante. Les électrodes sont définies en deux cycles de structuration, avec une rupture de vide entre les deux. La cassure introduit une croissance incontrôlée d'oxyde métallique natif, qui doit être éliminé lors d'une étape dite d'Ar-milling. "Cette étape d'Ar-milling est cependant connue pour être très critique et il a déjà été signalé qu'elle introduisait des pertes d'énergie indésirables", ajoute Jeroen Verjauw.

Temps de cohérence jusqu'à 100 µs, fidélité de porte de 99,94 %

Tsvetan Ivanov, chercheur à l'IMEC, déclare :"Nous avons démontré dans notre laboratoire des qubits supraconducteurs avec des temps de cohérence supérieurs à 100 µs et une fidélité de porte moyenne à un seul qubit de 99,94 %. Ces résultats sont comparables aux dispositifs de pointe, mais, pour la première fois, ont été obtenus à l'aide de techniques de fabrication compatibles CMOS, telles que le dépôt par pulvérisation cathodique et la gravure soustractive de pointe Ces résultats révolutionnaires pourraient être obtenus en améliorant le processus connu de fabrication des jonctions de chevauchement. les améliorations incluent l'optimisation des processus pour réduire le nombre d'étapes et d'interfaces de processus (et donc le risque de pertes d'énergie), une étape de fraisage d'ar améliorée et l'utilisation exclusive d'aluminium (Al) pour fabriquer les électrodes.

Les prochaines étapes :la fabrication en 300 mm, la réduction des pertes et la reproductibilité

Nos expériences décrites dans NPJ Quantum Information n'ont jusqu'à présent été réalisées qu'en laboratoire, sur des coupons de substrat. Tsvetan Ivanov :« Pourtant, la méthode de fabrication présentée annonce une étape importante vers un processus CMOS manufacturable de 300 mm pour des qubits supraconducteurs de haute qualité. Bientôt, nous transférerons la fabrication de ces circuits supraconducteurs dans l'usine de 300 mm d'IMEC. Nous sommes impatients de vérifier si le des temps de cohérence élevés peuvent être reproduits sur des substrats de plaquettes plus grands."

Jeroen Verjauw :« De plus, nous avons conçu nos véhicules d'essai de manière à pouvoir étudier d'où viennent les pertes d'énergie. Les premiers résultats ont indiqué que les pertes se produisent principalement à la surface extérieure de la structure, et non au niveau de la jonction critique. C'est encourageant, car cela laisse de la place à l'optimisation en appliquant des étapes de traitement de surface plus dédiées. Et, enfin, notre méthode de fabrication ouvre la voie à la fabrication de qubits reproductibles sur une grande surface de plaquette, avec une faible variation, par exemple, de la fréquence des qubits.

Pourtant, il existe d'autres obstacles sur la route vers des ordinateurs quantiques pratiques basés sur la supraconductivité. Anton Potočnik conclut :"Les qubits supraconducteurs sont encore relativement grands (taille mm) par rapport, par exemple, aux qubits de spin semi-conducteurs (taille nm). Nous étudions comment réduire davantage les dispositifs. De nombreux efforts sont également en cours du côté algorithmique. les qubits que nous fabriquons aujourd'hui ne sont pas idéaux, il y a donc un énorme effort du côté théorique pour développer des algorithmes plus résistants aux pertes et aux erreurs, et pour développer des protocoles de correction d'erreurs quantiques. une instrumentation très bien calibrée pour s'interfacer avec le nombre croissant de qubits supraconducteurs, pour les contrôler et lire des résultats significatifs."

Conclusion et perspectives

Kristiaan De Greve, directeur du programme d'informatique quantique à l'IMEC, considère ce travail d'Anton, Tsvetan, Jeroen et de leurs collègues comme une étape cruciale pour pouvoir surmonter les obstacles fondamentaux à la mise à l'échelle des qubits supraconducteurs grâce aux avantages de contrôle et de précision de l'industrie. méthodes de traitement standard :"Comme plusieurs milliers à des millions de qubits physiques seront probablement nécessaires pour les processeurs quantiques du futur, il sera crucial de surmonter les limitations dues à la variabilité et au faible rendement. IMEC investit donc de manière significative dans la compréhension et l'analyse comparative de ces limitations et dans l'introduction de nouvelles des solutions qui tirent parti de notre expérience dans le contrôle avancé des processus. »

Danny Wan, responsable du programme d'informatique quantique à l'IMEC, ajoute :"Dans le cadre du programme d'IMEC sur l'informatique quantique, nos scientifiques se sont lancés le défi d'apporter l'informatique quantique (à la fois semi-conductrice et supraconductrice) du laboratoire au monde. Résultats tels que décrits dans NPJ Quantum Information sont extrêmement encourageants et confirment que nous sommes sur la bonne voie dans la poursuite de notre mission."

L'étude est publiée dans npj Quantum Information . + Explorer plus loin

Un qubit supraconducteur alternatif atteint des performances élevées pour l'informatique quantique