Dans le cadre d’un projet financé par Fujitsu, des chercheurs de QuTech ont présenté la première puce de contrôle cryogénique capable de gérer directement les spins électroniques et nucléaires dans des qubits à base de diamant. Cette innovation, qui intègre un système sur puce cryo-CMOS avec des centres de vacance d’azote (NV) dans le diamant, représente une avancée significative vers la construction d’ordinateurs quantiques évolutifs et haute fidélité avec des qubits en diamant.
Les centres NV font partie des plateformes de qubits les plus prometteuses, combinant un contrôle rapide du spin électronique avec des mémoires de spin nucléaire exceptionnellement stables. Cependant, jusqu’à présent, ces systèmes dépendaient d’une électronique à température ambiante reliée par de longs câbles à l’environnement cryogénique : une configuration qui entrave considérablement l’évolutivité et la fiabilité.
Le nouveau contrôleur cryo-CMOS résout ce problème en amenant l’électronique directement dans le froid. Fonctionnant aux côtés des qubits à des températures cryogéniques, il peut générer les signaux précis et à haute fréquence nécessaires à la manipulation des spins électroniques et nucléaires, tout en consommant un minimum d’énergie, en occupant un minimum d’espace et en facilitant la connexion à la puce quantique, ce qui le rend prêt à être adapté à de grands ordinateurs quantiques.
Contrôle quantique haute fidélité
Le système intégré a atteint une fidélité de porte quantique de 99,3 % pour les spins électroniques et de 99,8 % pour les spins nucléaires, tout en maintenant des temps de cohérence supérieurs à 50 millisecondes : des performances proches de celles requises pour l’informatique quantique tolérante aux pannes.
En s’adaptant numériquement à la fréquence de résonance unique de chaque qubit, la puce élimine le besoin d’un réglage complexe du champ magnétique. Cela permet de contrôler de nombreux qubits en parallèle, une exigence clé pour faire évoluer le matériel quantique au-delà des prototypes de laboratoire. L’architecture numérique de la puce offre également un contrôle précis de l’amplitude et de la phase tout en minimisant la production de chaleur, une caractéristique essentielle pour les systèmes cryogéniques, où la capacité de refroidissement est limitée.
Vers un matériel quantique évolutif
Cette démonstration marque une convergence entre l’ingénierie des semi-conducteurs et la science quantique. Alors que les qubits NV-center restent dans le diamant, le contrôleur cryo-CMOS est fabriqué selon un processus standard au silicium et fonctionne aux côtés des qubits à température cryogénique, offrant un contrôle compact et économe en énergie là où la mise à l’échelle est généralement difficile. En ce sens, ce travail constitue une étape pratique vers des modules quantiques plus étroitement intégrés, et à terme plus faciles à fabriquer, qui combinent des qubits en diamant avec des composants électroniques de contrôle CMOS.
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Pour Masoud Babaie, qui a dirigé le développement avec Fabio Sebastiano, cela prouve que « la co-intégration des centres de couleur avec le cryo-CMOS est une option évolutive pour l’informatique quantique ».
Ensemble pour un avenir quantique complet
La collaboration entre Fujitsu et QuTech représente un partenariat stratégique entre l’industrie et le monde universitaire visant à élaborer un plan directeur complet pour l’informatique quantique évolutive. Grâce à l’expertise des deux domaines, les équipes développent des modules de qubits à spin de diamant, des composants électroniques de contrôle CMOS cryogéniques et des interconnexions optiques de soutien, couvrant les couches matérielles, architecturales et algorithmiques des systèmes quantiques.
Les résultats de l’article seront présentés lors de la conférence internationale IEEE sur les circuits à semi-conducteurs (ISSCC) en février 2026, considérée comme la principale conférence sur les avancées en matière de conception de circuits intégrés.
« Pour les qubits à spin de diamant, l’électronique peut facilement devenir un goulot d’étranglement. Ce que nous montrons ici, c’est un moyen concret de rapprocher le contrôle précis des qubits à des températures cryogéniques, sans rendre le système plus complexe qu’il ne doit l’être », résume Fabio Sebastiano. Masoud Babaie ajoute : « Ce travail montre que le contrôle CMOS cryogénique peut être conçu pour répondre aux exigences strictes des qubits à spin de diamant tout en restant évolutif. En intégrant étroitement l’électronique de contrôle aux qubits, nous faisons un pas important vers la mise au point de processeurs quantiques à diamant pratiques et à grande échelle. »
Source : Qutech.nl
