Tour d'horizon des défis à venir : connexions des qubits et composants électroniques cryogéniques
Publié le 12 juillet 2021
Corps de texte 1
Tour d'horizon des défis à venir : connexions des qubits et Composants électroniques cryogéniques
Retour au menu principal
Corps de texte 2
Tour d'horizon des défis à venir
Voyons en détail les composants nécessaires à la création d'un ordinateur quantique :
-
Premièrement, les boîtes quantiques doivent être définies et doivent accueillir un électron. Des portes électroniques, similaires à celles des transistors classiques, peuvent être utilisées pour définir des boîtes quantiques. À une température cryogénique, les électrons individuels (ou les électrons-trous) qu'elles renferment peuvent être contrôlés à l'aide d'un effet tunnel. L'application d'un champ magnétique externe constant donne naissance à un système à deux niveaux.
-
Ensuite, les portes à un ou deux qubits doivent être activées. La manipulation des qubits individuels est ensuite réalisée , par exemple, en appliquant un faible champ magnétique à micro-ondes. Chacun des qubits soumis à ce champ magnétique à micro-ondes peut être rendu sensible ou insensible grâce au champ électrique appliqué localement qui modifie la fréquence de résonance du qubit (effet Stark).
-
Les portes à deux qubits sont obtenues grâce à la variation de l'interaction entre deux boîtes quantiques adjacentes. Pour activer et désactiver l'interaction, les chercheurs peuvent désaccorder les portes utilisées pour les boîtes quantiques ou ajouter une porte d'interaction supplémentaire (ou porte d'échange) entre les deux boîtes.
-
Enfin, l'état du qubit doit être mesuré, lors d'une opération baptisée « lecture ». Les résultats de lecture d'un qubit de spin proviennent de la conversion spin/charge, obtenue en couplant le qubit à une boîte quantique supplémentaire ou à un transistor SET. Le spin du qubit peut être mesuré grâce à la détection de la modification de la charge ou de la capacitance.
-
D'un point de vue technologique, une question reste toujours sans réponse pour les ordinateurs quantiques à grande échelle : quelle est la distance optimale entre les boîtes quantiques ? L'espacement entre les qubits de spin dans le silicium produit dans les laboratoires du CEA-Leti est typiquement de 100 nm. Ces dimensions peuvent être atteintes grâce à la lithographie par immersion.
- Après quelque 70 ans de travaux sur la miniaturisation des transistors s'inspirant des avancées de la Loi de Moore relatives à la puissance de traitement, nous avons aujourd'hui la possibilité de produire des millions d'objets identiques très rapidement avec un taux de variabilité faible. Il s'agit d'un atout stratégique dans nos efforts pour définir, manipuler et lire des qubits de manière fiable et reproductible.
Cela n'est toutefois pas suffisant pour faire de l'informatique quantique une réalité. Cette remarquable opportunité implique plusieurs autres défis de taille : -
Connexion des qubits
-
Composants électroniques cryogéniques
-
Intégration cryogénique
-
Conception de systèmes faible température
|
| (c) CEA Architecture des qubits de spin (Si) pour réaliser des opérations
quantiques à grande échelle à l’aide des qubits de spin des électrons.
|
|
Connexion des qubits
- Pour réaliser un calcul universel à l'aide de qubits, il est nécessaire de contrôler individuellement chacun des qubits d'une matrice de qubits. Les matrices de qubits sont conceptuellement similaires à des matrices de pixels, comme celles qui sont présentes dans les capteurs CCD ou les baies de mémoire. Tout modèle pratique d'informatique quantique pourrait donc s'inspirer du savoir-faire existant dans le domaine de l'adressage des pixels dans une matrice pour contrôler des qubits à grande échelle.
- L'équipe de projet ERC a ainsi développé une architecture complète qui s'appuie sur l'intégration 3D séquentielle. Elle utilise deux couches de silicium pour réaliser toutes les opérations quantiques et tient compte de toutes les contraintes technologiques et physiques. Baptisée Qucube, elle est structurée pour implémenter une architecture de qubits de spin miniaturisable dans le silicium et réaliser des opérations quantiques à grande échelle à l'aide des qubits de spin des électrons.
- Le QSG a également récemment publié les résultats de ses travaux visant à améliorer la traçabilité et le contrôle des boîtes quantiques par l'utilisation de détecteurs embarqués et d'une matrice de huit boîtes quantiques MOS. Les chercheurs ont ainsi évalué deux méthodes, un détecteur de charge monocanal et un transistor à un électron reprogrammable. Leurs conclusions sont prometteuses : il est possible de concevoir un dispositif intégrant un grand nombre de boîtes quantiques, les deux méthodes offrant la possibilité de réaliser une mesure en temps réel d'un événement d'effet tunnel sur une seule et unique charge, ce qui pourrait être utilisé pour charger des électrons individuels au sein de la structure ou pour lire les états de spin.
Il est également nécessaire de trouver des solutions pour réaliser des opérations basiques en parallèle. Tout l'intérêt d'utiliser un nombre beaucoup plus important de qubits pour une tâche est d'accroître l'efficacité algorithmique. Il est ainsi impératif que le passage à des centaines ou des milliers de qubits n'allonge pas les délais d'exécution. D'autres travaux prometteurs menés par le CEA-Leti étudient la possibilité de lire une ligne complète de qubits en parallèle à l'aide de la technologie RF. Tandis que ces travaux n'en sont encore qu'à leurs débuts, l'approche fondamentale du CEA-Leti ouvre une voie très prometteuse, celle d'une interconnexion possible des qubits
Composants électroniques cryogéniques
- Nombre des défis élémentaires de l'informatique quantique sont interdépendants. Par exemple, la nécessité de travailler à des températures cryogéniques a une incidence sur toutes les approches en matière de technologies quantiques, et pas uniquement sur le spin dans le silicium. L'ensemble de ces approches nécessiteront en outre des composants électroniques de contrôle et de lecture des qubits ainsi qu'une interface avec les systèmes informatiques classiques. Cela souligne l'importance d'étudier et de développer des technologies CMOS basse température, en particulier des technologies avancées telles que la technologie FDSOI, la seule à être en mesure de modifier sa tension de seuil (Vth) et de la recentrer en fonction de la température.
- Dans ce contexte, il est intéressant de noter que les qubits dans le silicium offrent un avantage, celui d'être assez robustes pour fonctionner à des températures plus élevées que les qubits supraconducteurs. Des expérimentations ont révélé qu'une température de 1 K était un objectif raisonnable pour le fonctionnement des spins dans le silicium, avec des résultats préliminaires prometteurs sur la fidélité et les délais de cohérence, des facteurs critiques pour la création de systèmes informatiques robustes et fiables. Un fonctionnement sur la plage 1 K, plutôt que sur la plage mK (plus proche du zéro absolu), simplifierait nombre des défis pratiques associés au fonctionnement du système, car il permet une dissipation plus importante de la puissance.
- En outre, les développeurs devront trouver des moyens de mettre efficacement en relation les instruments et les systèmes de mesure de la température ambiante avec les systèmes basse température sans créer d'engorgement au niveau des entrées et des sorties. Tandis que des travaux à ce sujet sont toujours en cours, il semble probable que l'adressage de chaque qubit « dans le réfrigérateur » à partir d'un contrôleur de température ambiante ne sera pas possible et que le développement de schémas de type routeur pour l'acheminement et le multiplexage des données sera nécessaire. De nouveau, l'analogie avec les baies de mémoire ou les capteurs CCD est ici valable, pour donner naissance à une solution d'adressage crossbar. Tandis que le besoin en câblage est réduit, cela nécessite également des capacités de contrôle électrostatiques extrêmement précises idéalement situées aussi près que possible du die de qubits.
- Ce type d'impératifs est à l'origine du développement de solutions cryo-CMOS SOC (system-on-chip) par le CEA-Leti à l'aide de la technologie FDSOI, dans le but d'en faire des solutions de choix pour les composants électroniques basse température. Cela pourrait ainsi donner naissance à une composante essentielle à tout processeur quantique à grande échelle, en permettant la conception de composants électroniques cryogéniques miniaturisables proches des qubits pour une indexation massive des matrices de qubits et, en fin de compte, le développement d'ordinateurs quantiques intégrant des portes universelles insensibles aux défaillances. (Voir l'encadré pour de plus amples détails.)
Corps de texte 3
Architecture des qubits de spin (Si) pour réaliser des opérations quantiques à grande échelle à l'aide des qubits de spin des électrons.
Technologie FDSOI et informatique quantique
Le fonctionnement de circuits à des températures cryogéniques (< 100 K) est nécessaire pour un vaste éventail d'applications telles que les capteurs infrarouges, les applications spatiales et la cryobiologie. Plus récemment, les chercheurs du CEA-Leti se sont attelés à étudier son utilisation dans l'informatique quantique, pour lire et contrôler les qubits.
Le CEA-Leti a ainsi publié des conclusions sur les performances et la variabilité de la technologie CMOS FDSOI 28 nm pour des applications cryogéniques jusqu'à 100 mK. Ces travaux incluent quelques-unes des premières mesures et analyses expérimentales de ces circuits à des températures cryogéniques, notamment l'étude du courant de drain et de la transconductance des transistors FDSOI, ainsi que la correspondance, l'échauffement et le bruit à basse fréquence à des températures < 20 K.
|
|
Haut de page