Des réfrigérateurs à dilution, une abondance d’instruments électroniques qui donnent à voir une profusion de courbes et de signaux, des gravimètres voire des gradiométriques quantiques - qui mesurent non seulement le champ de pesanteur mais aussi son gradient… Ce n’est qu’une fraction de la plateforme de métrologie réservée aux technologies quantiques que le laboratoire national de métrologie et d’essais (LNE) a officiellement inaugurée le 11 décembre, à Trappes.
Dans son discours introductif, Thomas Grenon, directeur général du LNE, résume les enjeux : « Cette plateforme de métrologie est destinée à la caractérisation et à l’évaluation des performances des technologies quantiques. Elle vise, par la fourniture de données de mesure fiables, objectives et comparables, à accélérer le développement de ces technologies, à favoriser leur industrialisation et leur adoption. »
C’est une concrétisation du programme MetriQs-France, initié en 2022 par la stratégie nationale sur les technologies quantiques et soutenu par France 2030. Avec un budget de 4 millions d’euros, la plateforme servira donc à élaborer des méthodes de mesure qui fassent référence pour des technologies encore émergentes, qu’il s’agisse d’ordinateurs quantiques, de communications quantiques ou de capteurs quantiques. La démarche s’appliquera aussi aux technologies dites habilitantes, comme la cryogénie et l’électronique de contrôle.
Une plateforme constituée de quatre pôles
L’équipement « à l’état de l’art », selon les mots de Félicien Schopfer, directeur de recherche et responsable scientifique de la plateforme, est ouvert aux acteurs académiques et industriels – en particulier les deeptechs – au travers de prestations de service. Quatre pôles de caractérisation sont disséminés dans le réseau national de la métrologie française. Au Cnam à Saint-Denis, on s’occupe de thermométrie à très basse température, tandis que l’observatoire de Paris sera en charge des horloges atomiques et de la gravimétrie quantique, un thème mutuel avec le site du LNE à Trappes.
Le gravimètre à atomes froids de l’observatoire de Paris, « l’instrument de la mesure de la gravité le plus exact et le plus sensible au monde » selon le LNE, permettra d’étalonner d’autres gravimètres dans le laboratoire spécifique du site de Trappes, nouvellement conçu. « On peut accueillir jusqu’à 6 gravimètres en même temps », précise le chercheur Sébastien Merlet, en désignant des zones marquées sur la dalle – découplée du reste du bâtiment pour minimiser les vibrations – où le champ de gravité est parfaitement connu.
Non loin de là, dans ce même bâtiment qui porte le nom de l’illustre physicien écossais Maxwell, une pancarte à l’entrée d’un autre laboratoire annonce la couleur : c’est ici que seront mesurés sous toutes les coutures les composants entourant les qubits dits « à l’état solide », c’est-à-dire des qubits supraconducteurs et des qubits semiconducteurs (ou qubits de spin).
Les paramètres d’influence à la loupe
La pièce comporte deux cryostats à dilution, qui descendent jusqu’à 7 millikelvins, et toute une batterie d’appareillages électroniques : sources radiofréquences, analyseurs de spectre... Elle forme une « cage de Faraday pour couper tous les rayonnements électromagnétiques, informe Mathieu Taupin, ingénieur de recherche au laboratoire national de métrologie et d’essais (LNE). La température de la salle est régulée à 23°C, à plus ou moins 0,1°C ». La même minutie a été accordée à la maîtrise des vibrations.
« Reproduire cet environnement serait extrêmement coûteux pour des start-ups et ça leur prendrait aussi beaucoup de temps », justifie-il. Les start-ups partenaires qui fourniront leurs puces quantiques sont les françaises Alice&Bob, C12 et Quobly – des collaborations avec des deeptechs européennes sont envisageables. Mais que mesure-t-on dans cet endroit ? « Grâce à notre expertise en métrologie, nous allons pouvoir déterminer ce qu’on appelle les paramètres d’influence de la mesure du qubit, ceux qui vont influencer le temps de cohérence ou le taux d’erreur par exemple », explique Matthieu Taupin.
Et ces paramètres sont nombreux. Cet ingénieur prend l’exemple des paramètres S (S pour scattering, diffusion en français), utilisés dans les radiofréquences : « Ce sont les paramètres de réflexion ou de perte des composants passifs. On fait de la métrologie pour savoir exactement le signal qui parvient au qubit, puis le signal émis par le qubit. » Chaque composant du système sera passé au crible, Félicien Schopfer listant « le gain et la bande passante des amplificateurs, le niveau de bruit, les charges thermiques, les vibrations du cryostat… »
La finalité est de connaître précisément et empiriquement – la théorie ne suffit pas - les relations entre les grandeurs importantes caractérisant un qubit et les paramètres du système qui l’opère. « Un qubit aura alors les mêmes performances indépendamment de l’endroit où il est mesuré », souligne François Couëdo, le responsable de ce pôle.
Outre cette plateforme technique, le programme MetriQs-France accompagne et finance plusieurs projets R&D. Commencé en 2023 et coordonnée par Thales, Bacq vise à la conception de benchmarks pour évaluer les performances des ordinateurs quantiques. Le projet Mocqua, débuté en octobre dernier, s’intéresse précisément au développement de la méthodologie de mesure des ordinateurs quantiques à qubits supra ou semiconducteurs.
La prochaine étape sera la normalisation de ces technologies quantiques. Avec ces nouveaux moyens, le LNE est « actif dès à présent », fait remarquer Félicien Schopfer, alors que les discussions ont été amorcées avec les organismes de référence (Cen-Cenelec au niveau européen, ISO/EIC au niveau mondial). En octobre dernier, le LNE s’était associé avec les laboratoires équivalents des pays du G7 et de l’Australie au sein de l’initiative NMI-Q, dont la vocation est partager les bonnes pratiques de mesure et de participer à la standardisation internationale. La France veut continuer à peser dans les débats entourant les technologies quantiques, considérées comme stratégiques pour l’industrie et la défense.
