Ordinateurs quantiques en silicium

Dans l'implantation d'ions individuels TIBUSSII (Système UHV à faisceau triple d'ions pour l'implantation d'ions uniques), des atomes étrangers individuels peuvent être introduits de manière ciblée dans un matériau, par exemple pour créer des qubits. (Source : B. Schröder / HZDR)

Le consortium EQUSPACE (Enabling New Quantum Frontiers with Spin Acoustics in Silicon) a reçu 3,2 millions d'euros du programme de financement Pathfinder Open du Conseil européen de l'innovation (European Innovation Council – EIC) pour faire avancer le développement des technologies quantiques à base de silicium. Le projet rassemble, aux côtés du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), quatre autres partenaires de trois pays de l'UE et unit des experts dans les domaines des qubits à spin, de l'optomécanique et des modifications atomiques du silicium, afin de développer une nouvelle plateforme quantique à base de silicium.

Bien que le silicium soit le matériau central pour les ordinateurs classiques, il ne joue pas un rôle clé dans les concepts actuels de superordinateurs quantiques. Cependant, il serait très judicieux d'utiliser l'infrastructure en silicium, déjà développée grâce à la technologie des semi-conducteurs et d'une valeur de plusieurs milliards d'euros, également pour le traitement des qubits – les unités d'information quantique. Des chercheurs ont montré que ce qubits dits à spin de donneur sont particulièrement adaptés à cet usage. Ces qubits exploitent une propriété des atomes étrangers, leur spin, pour traiter l'information. Ils se distinguent par rapport à d'autres systèmes quantiques par de longues durées de cohérence, durant lesquelles ils restent stables pour effectuer des opérations de calcul quantique. Cependant, ils ne sont pas encore la pièce maîtresse des ordinateurs quantiques commerciaux, car il n'existe pas de mécanismes de couplage et de lecture adaptés pour une mise à l'échelle à un niveau pratiquement exploitable.

EQUSPACE vise maintenant à créer en Europe un avenir à long terme pour les qubits à spin de donneur à base de silicium. La plateforme souhaite relier ces qubits, basés sur de minuscules spins atomiques, via des ondes acoustiques dans des structures vibrantes. De plus, des lasers et des transistors à électron unique seront utilisés pour lire électriquement le résultat à la fin du calcul quantique. Le projet doit offrir une solution évolutive pour tous les aspects importants d'une plateforme quantique : la commande et la lecture du résultat, le couplage spin-spin entre les qubits, ainsi que la transmission d'informations quantiques entre les unités de calcul sur la puce. Le résultat final pourrait être une plateforme d'information quantique complète, comprenant des qubits, des éléments de connexion et une électronique de commande et de lecture évolutive.

Expertise du HZDR dans la technologie quantique du silicium

Une équipe de l'Institut de physique des faisceaux d'ions et de recherche sur les matériaux du HZDR apportera son expertise en modification atomique du silicium pour des applications quantiques et développera les méthodes de science des matériaux nécessaires comme base du projet. L'équipe utilisera un faisceau d'ions focalisé pour enrichir localement du silicium ultra-pur avec l'isotope Silicium-28. Le Silicium-28 présente l'avantage que ses noyaux atomiques, par rapport à de nombreux autres matériaux, ne possèdent pas de spin qui pourrait interagir avec des champs magnétiques ou le spin d'autres particules, ce qui pourrait perturber les calculs. « Grâce à l'enrichissement ciblé avec des isotopes spécifiques, l'état quantique reste plus longtemps stable. Cela permet des opérations quantiques plus complexes, et la plateforme pourrait ainsi surpasser à terme les ordinateurs classiques ainsi que d'autres systèmes quantiques », explique le responsable du projet au HZDR, le Dr Nico Klingner.

En plus de l'enrichissement isotopique, l'équipe développe l'implantation d'ions individuels de donneurs. L'objectif est d'implanter des atomes de bismuth, dont le spin forme un système à deux états, pouvant pointer soit vers « haut » soit vers « bas ». La particularité de ces qubits est que, à très basse température, ces deux états peuvent coexister en superposition : le spin peut se trouver simultanément dans une combinaison des états « haut » et « bas ». Ainsi, les ordinateurs quantiques peuvent effectuer de nombreux calculs en parallèle, ce qui peut considérablement augmenter leur puissance de calcul.

Un des principaux avantages des qubits à spin de donneur est leur stabilité relative par rapport à d'autres types de qubits, comme ceux basés sur des circuits supraconducteurs. Le spin dans un atome donneur est moins sensible aux perturbations de l’environnement, ce qui permet de maintenir l’état quantique plus longtemps. Cette stabilité est essentielle pour la mise à l’échelle des ordinateurs quantiques à un plus grand nombre de qubits, sans perdre en cohérence ou en précision des calculs. « Ces contributions du HZDR, notamment dans les domaines de l’enrichissement isotopique, de l’implantation et de l’optimisation de la tension dans les semi-conducteurs, sont fondamentales pour la réussite du projet EQUSPACE », estime le professeur Juha Muhonen, coordinateur du projet.

Renforcer la position de l'Europe dans la compétition mondiale en matière de quantique

Le consortium EQUSPACE regroupe des chercheurs de l'Université de Jyväskylä, du Centre de recherche technologique VTT en Finlande, du HZDR, de l'institut NWO AMOLF aux Pays-Bas et de la start-up finlandaise SemiQon Oy. La collaboration reflète l’engagement croissant de l’Europe dans la course mondiale aux technologies quantiques. Face à la concurrence accrue de pays leaders comme les États-Unis, la Chine, le Canada et l’Australie, l’industrie quantique européenne doit relever de grands défis.

« L’approche d’EQUSPACE est cruciale pour garantir que l’Europe reste compétitive dans ce domaine en rapide évolution. Avec ce financement, EQUSPACE construit un réseau de recherche solide en Europe basé sur les qubits à spin de donneur – un développement qui renforcera à long terme l’industrie quantique européenne », explique Muhonen. Le financement fait partie du programme Horizon Europe. Le projet, dirigé par l’Université de Jyväskylä, débutera le 1er février 2025.

Financé par l’Union européenne. Les opinions exprimées sont celles des auteurs et ne reflètent pas nécessairement celles de l’Union européenne ou du Conseil européen de l’innovation. Ni l’Union européenne ni l’autorité de financement ne peuvent en être tenues responsables.

Informations complémentaires :

Prof. Juha Muhonen
Université de Jyväskylä
Tél. : +358401905352 | E-mail : juha.t.muhonen@jyu.fi

Dr Nico Klingner
Institut de physique des faisceaux d'ions et de recherche sur les matériaux du HZDR
Tél. : +49 351 260 2524 | E-mail : n.klingner@hzdr.de