Exploiter la technologie du silicium pour des processeurs quantiques à grande échelle
L’informatique quantique est susceptible d’offrir tout un monde de nouvelles possibilités, mais elle représente également un défi herculéen. Les chercheurs et les ingénieurs ont dû retourner à la case départ et révolutionner la manière dont les processeurs sont construits. Dans ce contexte, toute technologie déjà éprouvée qui peut être mise à profit pour faire avancer la recherche est en quelque sorte une bénédiction. Le projet MOS-QUITO a concentré son attention sur l’une d’entre elles, la technologie du silicium, dans l’objectif de concevoir des processeurs quantiques évolutifs. L’ambition de l’équipe est de démontrer que les dispositifs qubit à base de silicium peuvent être entièrement fabriqués à l’aide d’une plate-forme CMOS compatible avec l’industrie. Elle a également étudié la possibilité de développer des composants électroniques CMOS traditionnels capables de fonctionner à très basse température et de servir de matériel de contrôle pour les processeurs quantiques. «Le projet s’appuie sur des années de recherches fondamentales. Celles-ci nous ont permis de mieux comprendre les propriétés électroniques à basse température (sub-Kelvin) des transistors semi-conducteurs en silicium métal-oxyde et, plus particulièrement, des dispositifs à transistors basés sur la technologie silicium sur isolant», explique Silvano De Franceschi, coordinateur du projet au nom du Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives français. La raison d’être du projet réside dans le fait que l’utilisation de la technologie du silicium pour l’informatique quantique permettrait de tirer parti des capacités d’intégration à grande échelle d’une industrie déjà bien établie. Comme le souligne Silvano De Franceschi: «Le but des ordinateurs quantiques est de résoudre des problèmes pratiques que les ordinateurs actuels ne sont pas en mesure de traiter or, pour ce faire, ils requièrent un très grand nombre de qubits physiques. L’exploitation de la technologie du silicium semble être une option convaincante pour concrétiser cette vision.» Au cours du projet, Silvano De Franceschi et son équipe ont conçu et testé une variété de qubits de spin en silicium, des qubits qui reposent sur le degré de liberté de spin d’une charge électronique localisée afin de conserver des informations quantiques sur une très longue période de temps. Puis, sur cette base, ils ont profité d’une ligne de fabrication CMOS de 300 mm située à Grenoble. Ils entendaient démontrer que des qubits de spin en silicium de haute qualité peuvent être fabriqués à l’aide de procédés CMOS standard dans une installation de nanofabrication de grande envergure. Ce ne fut pas un processus facile, comme l’explique Silvano De Franceschi: «Les principales difficultés se sont posées au niveau de la fabrication des dispositifs. Il a fallu mettre au point de nouveaux procédés de fabrication et des problèmes d’exécution inattendus ont entraîné un certain retard. Nous avons également accumulé d’autres retards dus à des problèmes d’équipement.» L’autre objectif important de MOS-QUITO consistait à développer une boîte à outils de dispositifs basés sur le CMOS tels que des amplificateurs à faible bruit, des circulateurs et des multiplexeurs. Ceux-ci pourraient à terme être utilisés comme des périphériques électroniques à basse température pour améliorer le contrôle et la lecture des qubits. «En partageant la même technologie CMOS, les qubits et au moins une partie de l’électronique de contrôle pourraient même être co-intégrés sur la même puce. Cette opportunité unique serait particulièrement utile pour le développement de circuits de lecture rapides et évolutifs», souligne Silvano De Franceschi.
Travaux en cours
Le projet a été particulièrement productif, avec un total de 55 publications et sept dépôts de brevets. Outre la démonstration et l’étude de la première technologie CMOS basée sur les qubits, le projet a permis de réaliser des démonstrations du bien-fondé de la conception de plusieurs circuits cryo-CMOS avec diverses fonctionnalités. Ce travail est essentiel pour le développement d’ordinateurs quantiques à grande échelle, car les informations quantiques stockées en qubits peuvent se dégrader rapidement et devenir inutilisables si elles ne sont pas refroidies à des températures proches du zéro absolu. Parmi les autres réalisations du projet, citons le développement et l’optimisation de techniques de lecture de spin reposant sur: la réflectométrie de grille RF; une meilleure compréhension et utilisation de la résonance de spin électrodipôle pour les trous et les électrons; et les premiers résultats sur le contrôle de la charge dans des points quantiques quadruples à base de silicium CMOS. Bien que MOS-QUITO ait été achevé en septembre 2019, les travaux se poursuivent dans le cadre de deux projets de suivi. Ces projets, un projet Synergy du CER appelé QuCube et un projet phare de technologie quantique appelé QLSI, visent tous deux à rapprocher les qubits de silicium de l’informatique quantique évolutive.
Mots‑clés
MOS-QUITO, processeur quantique, qubit, silicium, CMOS
