Le nouveau projet de R&D européen Arctic se focalise sur les technologies cryogéniques pour l’informatique dite innovante, en particulier le calcul quantique. De quoi s'agit-il exactement ?
Ce projet se concentre sur la périphérie des dispositifs quantiques : la cryogénie en général et la cryoélectronique, qui seront au service des futurs ordinateurs quantiques, ainsi que d’autres applications plus classiques, comme le spatial. Le projet Arctic sera aussi un moyen de créer un écosystème européen autour de ces technologies.
Pourquoi est-il nécessaire développer une électronique « cryogénique » pour contrôler et mesurer les qubits ?
On a tous en tête la fameuse image du chandelier de Google, qui figure un cryostat et de nombreux câbles faisant le lien avec l’électronique de contrôle à l’extérieur. Une telle architecture convient à l’heure actuelle mais ne pourra pas être suivre l’évolution vers des machines à plusieurs milliers de qubits. Rappelons qu’un seul qubit, selon la technologie, requiert de cinq à six câbles…
Notre idée est donc de rapprocher l’électronique des qubits. Pour ce faire, le projet Arctic s’est donné pour principal objectif la conception d’une microélectronique de contrôle et de mesure des qubits qui puisse opérer à 4 K. Les qubits de type supraconducteur ou semi-conducteur (basés sur des qubits de spin, ndlr) fonctionnent certes à quelques millikelvins (à l’étage le plus bas d’un cryostat, ndlr), mais la quantité d’énergie disponible à ce niveau de température n’est que de quelques microwatts, insuffisante pour de l’électronique classique. Qui plus est, ces circuits électroniques finiraient par « réchauffer » les qubits.
Quelles pistes technologiques allez-vous emprunter ?
Notre ambition est de couvrir toute la chaîne de valeur, ce qui commence avec des innovations dans le domaine des matériaux pour aller jusqu’à la modélisation et à la conception des circuits.
Les exigences relatives aux propriétés des matériaux et des substrats à des températures cryogéniques peuvent être très différentes de celles des processus de fabrication CMOS traditionnels, en particulier pour les dispositifs quantiques et autres dispositifs au-delà du CMOS. Les exemples développés dans le cadre du projet sont des substrats de silicium hautement résistifs pour minimiser les pertes RF ou des substrats spéciaux pour assurer une bonne thermalisation du CMOS classique et des qubits à la température de base du cryostat.
Un autre élément essentiel est le développement de matériaux diélectriques de haute qualité, car les qubits et les dispositifs CMOS classiques sont plus sensibles aux défauts des matériaux et présentent une plus grande variabilité en raison des énergies thermiques plus faibles aux températures cryogéniques. Le projet Arctic servira également à développer des matériaux non standards fréquemment utilisés dans les dispositifs quantiques de pointe et autres dispositifs au-delà du CMOS, tels que les matériaux supraconducteurs et les matériaux ferroélectriques.
Quant aux modèles conçus pour les dispositifs et les défauts dans les technologies CMOS traditionnelles, ils ne sont plus valables à des températures cryogéniques. On doit mettre en place des essais et une modélisation plus rigoureux afin de comprendre les performances de ces dispositifs et l’impact des défauts. Nos efforts, ainsi que les nouveaux procédés d'intégration 3D et de conditionnement cryocompatibles mis au point dans le cadre de ce projet, permettront d'améliorer les performances des circuits microélectroniques pour une variété d'applications cryogéniques.
Avez-vous identifié les difficultés à surmonter ?
La cryoélectronique fait face à deux grands obstacles, en premier lieu la consommation énergétique. On doit réaliser des circuits RF à haute fréquence et à très basse consommation à cause de la puissance de seulement quelques milliwatts disponibles à si basse température. La question est donc de savoir comment mettre au point des designs peu énergivores.
La seconde difficulté provient plus spécifiquement des fluctuations de charge, une source de bruit pour les qubits semi-conducteurs. Ce bruit est dû au mouvement des électrons d’un endroit à l’autre, ce qui peut se traduire par un bruit de phase dans le signal radiofréquence. Ces qubits y sont particulièrement sensibles parce qu’ils sont basés sur une charge unique. Ce problème peut mener à une décohérence. Un design astucieux peut y remédier mais il y a aura des compromis.
Il est aussi question de photonique dans ce projet. Pouvez-vous développer ?
Nos travaux sur la photonique s’articuleront autour de deux axes. En premier lieu, on souhaite améliorer les détecteurs de photons uniques à base de nanofils supraconducteurs, en leur adjoignant dans le même package une électronique de mesure adaptée. Nous avons aussi l’intention d’utiliser des lasers comme générateurs d’ondes millimétriques à 4 K.
