L’équipe du CEA-Iramis cherche donc en parallèle à obtenir des qubits intrinsèquement plus cohérents, en utilisant notamment les spins d’électrons et de noyaux d’impuretés atomiques dans des isolants, couplés à des circuits quantiques supraconducteurs. Ces travaux sur la physique des spins ont conduit à une amélioration de cinq ordres de grandeur de la sensibilité de la résonance paramagnétique électronique, et un nouveau dispositif de détection des spins fournira peut-être une solution à leur mesure directe. Cependant, ce gain en cohérence entraîne une difficulté bien plus grande de contrôle de ces objets quantiques microscopiques. 

Le CEA se positionne sur une large gamme de matériaux quantiques. A Grenoble, des recherches sont conduites sur les nouveaux matériaux 2D : graphène, dichalcogénures ou encore hétérostructures de Van der Waals mais aussi les isolants et les supraconducteurs topologiques (2D et 3D) et non-conventionnels. 

Des résultats pionniers ont été obtenus en optique quantique électronique, ouvrant la voie à des opérations quantiques dans des dispositifs à base de matériaux nouveaux, comme le graphène. Des premières mesures ont été réalisées dès 2018 au CEA-Iramis sur l’interféromètre Mach Zehnder électronique. 

Le graphène, peu coûteux, montre un haut degré de cohérence quantique même à des températures modérément basses (quelques Kelvin). Dans ce matériau, pour un état de spin donné, deux états  de vallée sont possibles, qui peuvent être utilisés pour le codage de l’information. Des expériences d’optique quantique électronique ont montré, pour la première fois, qu’il était possible de manipuler de façon cohérente ces vallées, et de constituer une forme inédite de qubit.

L’avantage de cette piste, qui repose sur le standard CMOS de la micro-électronique, réside dans l’existence de lignes de fabrication industrielles déjà éprouvées. Elles permettront d’accéder à une forte densité d’intégration, et donc à une implémentation facilitée de « codes de surface » pour corriger les erreurs. 

• En décembre 2016, le CEA-Leti, l’Institut Nanosciences et cryogénie (Inac, CEA/UGA) et l’Institut Néel (CNRS) sont les premiers au monde (4 ans avant Intel et l’IMEC) à fabriquer un qubit de silicium en technologie CMOS industrielle (en l’occurrence, il s’agit de la technologie FDSOI développée pour le marché de la basse consommation avec STMicroelectronics et SOITEC).

• En mars 2018, le CEA-Leti et l’Institut Nanosciences et cryogénie (Inac, CEA/UGA) franchissent ainsi une étape importante vers la fabrication à grande échelle de qubits silicium : la mise au point d’un procédé pour obtenir des galettes de silicium 28 très pur, favorisant la fidélité des qubits, qui peuvent servir de support en vue de produire, en série, des milliers de boîtes quantiques.

• En 2019, le projet QuCube, mené par des chercheurs du CEA-Leti, du CEA-Irig et du CNRS, est lauréat de l’appel à proposition ERC Synergy Grant. Le projet recevra 14 millions d’euros sur 6 ans pour réaliser un processeur rassemblant au moins une centaine de qubits silicium physiques, et permettant la démonstration d’un premier qubit logique fonctionnel. Le CEA-Leti apportera sa contribution sur les technologies de fabrication de la microélectronique et la conception des circuits et des systèmes ; le CEA-Irig, son expertise sur les propriétés quantiques des nanostructures à base de silicium et des mesures à très basses températures ; l’Institut Néel du CNRS, son savoir-faire sur les manipulations quantiques des objets individuels et enfin l’Université Grenoble-Alpes, ses compétences sur les algorithmes quantiques.
  

• En parallèle, le CEA continue d’accroître ses équipes, au sein de l’Institut de Physique Théorique à Paris-Saclay et du CEA-Leti à Grenoble, pour répondre aux questions difficiles que posent encore les algorithmes quantiques, les architectures quantiques, la montée en échelle et la correction d’erreur quantique.

Comme pour l’algorithmie quantique, le CEA a développé très tôt des recherches fondamentales et technologiques en matière de communication quantique, de sécurisation des réseaux et de développement de capteurs adéquats pour mieux identifier et caractériser ces communications.

Le CEA est impliqué dans la construction d’un réseau quantique paneuropéen via la participation d’un chercheur de l’IPhT à la Quantum Internet Alliance, lancée en 2018, qui travaille désormais à l’élaboration des premiers prototypes de réseaux académiques. 

Experts depuis très longtemps en hardware, entre autres, les chercheurs du CEA s’attèlent à contourner notamment l’un des obstacles majeurs imposés par la communication quantique, à savoir la bonne distribution de l’intrication sur de très longues distances dans des réseaux quantiques. Pour mieux soutenir ces recherches, le CEA-Irig, à Grenoble, est pionnier dans le développement de sources de paires de photons individuels intriqués. Ses recherches sur le sujet se concentrent sur les fils photoniques et le centre G du silicium, à savoir une impureté à base de carbone contenue dans le silicium.