Des qubits en diamant pour des ordinateurs quantiques plus puissants

Les ordinateurs quantiques promettent de résoudre rapidement des problèmes extrêmement complexes, inaccessibles aux superordinateurs actuels. Cependant, la réalisation de cette performance nécessite la construction d’un système avec des millions de qubits interconnectés, un défi colossal que les scientifiques du monde entier s’efforcent de relever.

Des chercheurs du MIT et de MITRE ont démontré une plateforme matérielle modulaire et évolutive intégrant des milliers de qubits interconnectés sur un circuit intégré personnalisé. Cette architecture, baptisée «quantum-system-on-chip» (QSoC), permet de régler et de contrôler précisément un réseau dense de qubits. Plusieurs puces peuvent être connectées via un réseau optique pour créer un réseau de communication quantique à grande échelle.

En ajustant les qubits sur 11 canaux de fréquence, cette architecture QSoC permet un nouveau protocole proposé de «multiplexage d’intrication» pour l’informatique quantique à grande échelle.

Fabrication et intégration des microchiplets de diamant

Les chercheurs ont passé des années à perfectionner un processus complexe de fabrication d’ensembles bidimensionnels de microchiplets de qubits de la taille d’un atome et à transférer des milliers d’entre eux sur une puce CMOS (complementary metal-oxide semiconductor) soigneusement préparée. Ce transfert peut être effectué en une seule étape.

«Nous aurons besoin d’un grand nombre de qubits et d’un contrôle précis sur eux pour vraiment exploiter la puissance d’un système quantique et le rendre utile. Nous proposons une toute nouvelle architecture et une technologie de fabrication qui peuvent répondre aux exigences de scalabilité d’un système matériel pour un ordinateur quantique», explique Linsen Li, étudiant diplômé en génie électrique et informatique (EECS) et auteur principal d’un article sur cette architecture.

Les avantages des centres de couleur de diamant

Parmi les nombreux types de qubits, les chercheurs ont choisi d’utiliser des centres de couleur de diamant en raison de leurs avantages en termes de scalabilité. Ils avaient déjà utilisé ces qubits pour produire des puces quantiques intégrées avec des circuits photoniques.

Les qubits fabriqués à partir de centres de couleur de diamant sont des «atomes artificiels» qui transportent des informations quantiques. Étant des systèmes à l’état solide, leur fabrication est compatible avec les processus modernes de fabrication de semi-conducteurs. Ils sont également compacts et possèdent des temps de cohérence relativement longs, ce qui signifie que l’état d’un qubit reste stable plus longtemps grâce à l’environnement propre fourni par le matériau diamant.

Un processus de fabrication innovant

Pour construire ce QSoC, les chercheurs ont développé un processus de fabrication pour transférer des «microchiplets» de centres de couleur de diamant sur un plan arrière CMOS à grande échelle. Ils ont commencé par fabriquer un ensemble de microchiplets de centres de couleur de diamant à partir d’un bloc solide de diamant. Ils ont également conçu et fabriqué des antennes optiques à l’échelle nanométrique pour collecter plus efficacement les photons émis par ces qubits de centres de couleur en espace libre.

Ensuite, ils ont conçu et cartographié la puce à partir de la fonderie de semi-conducteurs. Travaillant dans la salle blanche MIT.nano, ils ont post-traité une puce CMOS pour ajouter des sockets microscopiques correspondant à l’ensemble de microchiplets de diamant. Ils ont construit un dispositif de transfert en laboratoire et appliqué un processus de verrouillage et de libération pour intégrer les deux couches en verrouillant les microchiplets de diamant dans les sockets de la puce CMOS.

Caractérisation et performance du système

Les chercheurs ont développé une approche pour caractériser le système et mesurer ses performances à grande échelle. Pour ce faire, ils ont construit un dispositif de métrologie cryo-optique personnalisé. En utilisant cette technique, ils ont démontré une puce entière avec plus de 4 000 qubits pouvant être réglés à la même fréquence tout en maintenant leurs propriétés de spin et optiques.

Ils ont également construit une simulation de jumeau numérique qui relie l’expérience à la modélisation numérisée, ce qui les aide à comprendre les causes profondes des phénomènes observés et à déterminer comment mettre en œuvre efficacement l’architecture.

Perspectives futures

À l’avenir, les chercheurs pourraient améliorer les performances de leur système en affinant les matériaux utilisés pour fabriquer les qubits ou en développant des processus de contrôle plus précis. Ils pourraient également appliquer cette architecture à d’autres systèmes quantiques à l’état solide.

Légende illustration : Les chercheurs ont mis au point un processus de fabrication modulaire pour produire un système quantique sur puce qui intègre un réseau de qubits atomiques artificiels sur une puce semi-conductrice. Crédit : Sampson Wilcox and Linsen Li, RLE

Article : « Heterogeneous integration of spin–photon interfaces with a CMOS platform » – DOI: https://www.nature.com/articles/s41586-024-07371-7