Projet de l'UE rassemble les forces sur la voie de l'ère des processeurs quantiques évolutifs

Le prober cryogénique sur wafer au Fraunhofer IAF permet de caractériser de manière entièrement automatique jusqu'à 25 wafers entiers de 200 mm ou 300 mm avec des dispositifs pour l'informatique quantique. © Fraunhofer IAF / The cryogenic on-wafer prober at Fraunhofer IAF enables fully automatic characterizations of up to 25 whole 200-mm or 300-mm wafers with devices for quantum computing and sensing. © Fraunhofer IAF

Configuration pour la caractérisation RF sous conditions cryogéniques. © Fraunhofer IPMS / Configuration pour la caractérisation RF dans des conditions cryogéniques. © Fraunhofer IPMS

Le consortium ARCTIC. © imec / Le consortium ARCTIC. © imec

© imec

Pour rendre un ordinateur quantique utilisable, le développement des commandes pour des systèmes évolutifs est essentiel, mais en est encore à ses débuts. Le projet ARCTIC rassemble 36 partenaires internationaux issus de l'industrie, de la science et d'instituts de recherche de premier plan, afin de construire une chaîne d'approvisionnement européenne complète et intégrée pour une infrastructure de contrôle évolutive, fiable et innovante pour les processeurs quantiques cryogéniques. Les instituts allemands Fraunhofer IPMS et Fraunhofer IAF apportent leur expertise approfondie dans la caractérisation de composants électroniques. L'UE finance le projet à hauteur de plus de 11 millions d'euros pour une durée de trois ans.

Les ordinateurs quantiques sont actuellement considérés comme les candidats les plus prometteurs pour la résolution efficace de problèmes totalement inaccessibles aux ordinateurs classiques. Cependant, ils nécessitent une gestion et des interfaces extrêmement sophistiquées pour fonctionner. Dans le cas des ordinateurs quantiques basés sur des qubits, opérant dans un cryostat proche du zéro absolu, le nombre de lignes de signal possibles, qui relient les dispositifs de commande aux cryostats, est toutefois limité. Cela est dû à l'espace restreint, à la chaleur transportée par les fils, et à la longueur limitée des fils existants, imposée par la nécessité d'une intégrité de signal optimale.

« Les exigences en matière de performance pour les dispositifs électroniques et les circuits à des températures cryogéniques sont très différentes de celles à température ambiante. En particulier pour des applications très sensibles comme les processeurs quantiques, tous les aspects des technologies microélectroniques doivent être optimisés », explique Alexander Grill, directeur scientifique d’ARCTIC (« Technologies cryogéniques avancées pour l'informatique innovante ») au centre de recherche belge imec. Les résultats attendus du projet seront considérés comme une étape clé pour des technologies très demandées, capables de résoudre des problèmes existants dans des domaines tels que la chimie assistée par ordinateur, les sciences de la vie, ainsi que la cryptographie nécessaire à la protection des données et à la cybersécurité.

Pour surmonter ces obstacles, ARCTIC rassemble 36 partenaires afin de construire une chaîne d'approvisionnement européenne complète et intégrée pour la photonique cryogénique, la microélectronique et les micro-systèmes cryogéniques, autour de l'industrie émergente de l'informatique quantique et de diverses applications TIC cryoguidées.

La société Fraunhofer participe au projet avec ses instituts pour les microsystèmes photonique IPMS et pour la physique des solides appliquée IAF. Leur travail dans le cadre du projet se concentre sur la caractérisation des composants dans des environnements cryogéniques et sur des wafers à l’échelle industrielle pour les processeurs quantiques cryogéniques, ainsi que sur l’analyse du comportement électrique des transistors et des éléments de mémoire à des températures exceptionnellement basses.

Fraunhofer IAF caractérise les composants périphériques pour les processeurs quantiques cryogéniques

La caractérisation des composants électroniques est aussi importante que chronophage, en particulier lorsqu'il s'agit de mesures cryogéniques et de caractérisations avec de longues périodes de refroidissement et de réchauffement. Fraunhofer IAF joue un rôle essentiel dans ARCTIC, en permettant la caractérisation automatisée de composants périphériques pour les processeurs quantiques cryogéniques sur wafers à l’échelle industrielle à l’aide d’un prober cryogénique complet. En plus de ses connaissances approfondies sur les méthodes de caractérisation des composants semi-conducteurs pour la recherche et le développement, jusqu’aux tests industriels de wafers de 200 mm et 300 mm, Fraunhofer IAF est l’un des rares fournisseurs européens disposant d’un système de test à basse température pour des températures inférieures à 2 K. Cette expertise approfondie dans la caractérisation de composants cryogéniques et la variabilité statistique des technologies clés sera un élément central d’ARCTIC et contribuera à accélérer l’expérimentation industrielle des technologies cryogéniques nécessaires à la mise à l’échelle des ordinateurs quantiques.

Le projet au sein de Fraunhofer IAF est financé dans le cadre du programme Horizon Europe par l’UE et cofinancé par le ministère fédéral de l’Éducation et de la Recherche (BMBF).

Fraunhofer IPMS met à profit ses compétences dans la caractérisation de composants semi-conducteurs commerciaux

Le Centre Nanoelectronic Technologies (CNT) du Fraunhofer IPMS se consacre à la caractérisation et à la modélisation des transistors bipolaires et CMOS ainsi que des éléments de mémoire à des températures cryogéniques. L’accent est mis sur la caractérisation et la modélisation RF, le bruit et les défauts des transistors commerciaux utilisant la technologie 22FDX FDSOI, ainsi que sur le développement de mémoires ferroélectriques non volatiles optimisées. Il est crucial d’améliorer les méthodes de caractérisation en environnement cryogénique et sur des wafers entiers, ainsi que de comprendre en profondeur le comportement des transistors à effet de champ et des éléments de mémoire à des températures exceptionnellement basses. « Nous souhaitons acquérir de nouvelles connaissances sur la position énergétique et le nombre de défauts électriques dans les transistors. Cela permettra à l’industrie de proposer de nouveaux produits cryogéniques, et Fraunhofer pourra offrir des méthodes de caractérisation uniques. La réduction du bruit induit par les défauts dans l’électronique est un facteur clé pour augmenter la cohérence des états de qubits, ce qui rend les méthodes développées immédiatement pertinentes pour les approches de calcul quantique cryogénique. En ce qui concerne les mémoires non volatiles, il est également important de minimiser la consommation d’énergie des éléments de mémoire, car la puissance de refroidissement dans les cryostats est très limitée », explique le Dr Maik Simon, chercheur au groupe Quantum Technologies du CNT à Dresde.

Une autre compétence clé de Fraunhofer IPMS est l’étude de l’applicabilité des mémoires ferroélectriques non volatiles dans un environnement cryogénique par caractérisation électrique et modélisation physique. Cette étude révolutionnaire montrera comment ces composants fonctionnent à basse température et quels paramètres peuvent être modifiés pour améliorer leurs propriétés de commutation, leur densité d’intégration et leur fiabilité.

Le projet au sein de Fraunhofer IPMS est cofinancé par le ministère fédéral de l’Éducation et de la Recherche (BMBF) et le ministère de l’Économie, du Travail et du Transport de Saxe (SMWA).

À propos du projet ARCTIC

« ARCTIC rassemble des développeurs de technologies, des intégrateurs, des modélisateurs, des concepteurs, des acteurs du système ou de l’application et des utilisateurs finaux pour assurer une interface fluide entre les différents niveaux. En même temps, une grande partie des efforts se concentre sur les connexions manquantes - notamment dans le domaine de la modélisation cryogénique et de la normalisation. De plus, un écosystème unique de recherche et développement est en train d’être mis en place en Europe, où différentes organisations de recherche et de technologie collaborent pour faire le pont entre les modèles d’innovation académiques et la valorisation industrielle - cette dernière étant également accessible aux PME et aux grandes entreprises industrielles.