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Les recherches du CEA sur...

Le calcul quantique

Publié le 25 juin 2018
Depuis une trentaine d'années, l'intérêt soulevé par les technologies quantiques n'a fait que croître. L'Europe investit fortement pour leur développement, auquel les équipes du CEA prennent toute leur part.

Des qubits de grande robustesse

L’ordinateur quantique, susceptible de révolutionner le traitement de certains problèmes hors de portée des ordinateurs classiques existants et même à venir, utilise des registres de bits quantiques dont la cohérence quantique doit être maintenue durant le calcul.

En 2002, les chercheurs du groupe Quantronique du Service de physique de l’état condensé (SPEC, CEA-CNRS, Paris-Saclay) ont réalisé le premier circuit électronique qui pourrait servir de brique de base à un futur processeur quantique.

L'expérience, dont les résultats ont été publiés dans Nature, a porté sur un bit quantique constitué d'une boucle de métal supraconducteur (aluminium) interrompue par des jonctions tunnel (ou jonctions Josephson). L'état quantique du Quantronium a ainsi été piloté par des séquences d'impulsions radiofréquence, comme peut l'être celui d'un atome par des impulsions laser.
Des algorithmes quantiques ont ainsi été implémentés dans des processeurs élémentaires.

Cette équipe a aussi introduit les systèmes hybrides à base de bits quantiques supraconducteurs et de centres colorés* dans le diamant combinant le traitement et le stockage de l’information quantique. Aujourd'hui, les travaux du groupe portent plus particulièrement sur la combinaison de circuits supraconducteurs avec des systèmes quantiques microscopiques, des spins électroniques et nucléaires, dont la cohérence quantique est meilleure.

Portée par Daniel Estève, la chaire industrielle Atos-CEA (soutenue par l’ANR), baptisée « Nasniq » (Nouvelle architecture de spins nucléaires pour l'information quantique), a pour ambition d’explorer cette nouvelle voie pour développer l’ordinateur quantique.


Des architectures plus tolérantes à la décohérence quantique

Le CEA-Leti et l’Institut Nanosciences et cryogénie (Inac, CEA/UGA) ont franchi une étape importante vers la fabrication à grande échelle de boîtes quantiques (qubits), briques élémentaires des futurs processeurs de calcul quantique : le CEA et ses partenaires ont ainsi annoncé en mars 2018 la mise au point d’un procédé pour obtenir des galettes de silicium enrichi en silicium 28 qui peuvent servir de support en vue de produire, en série, des milliers de boîtes quantiques. Cette étape permet un procédé utilisant l’isotope silicium 28, compatible avec les chaînes de production industrielles aux normes CMOS. Elle suit la réalisation du premier qubit silicium en technologie industrielle CMOS en 2016.


Le calcul quantique : une diversité d’activités complémentaires

Les équipes du CEA poursuivent aussi des recherches dans d’autres domaines, complémentaires et indispensables à l’émergence des technologies de l’ordinateur quantique et de l’ingénierie quantique :

  • l’électronique cryogénique,
  • la nano-implantation contrôlée d’ions dans les matériaux,
  • des sources de photons micro-ondes intriqués et des briques technologiques permettant d’utiliser des photons et des électrons comme systèmes quantiques,
  • des sources électroluminescentes à molécules organiques uniques,
  • des dispositifs spintroniques en régime quantique.


Le calcul quantique : des partenariats publics - privés

Recherche publique

La France mène une recherche de premier plan mondial dans les domaines du flagship quantique, particulièrement au sein du CEA, du CNRS, de l’Inria et sur plusieurs sites universitaires, dont Paris, Paris-Saclay et Grenoble. Le CEA développe des collaborations avec la plupart de ces acteurs.

Atos-Bull

Le CEA a développé des collaborations de longue date avec Atos-Bull en calcul intensif et pour la conception conjointe de supercalculateurs ; plus récemment le partenariat s’est élargi aux méthodes d'analyse de données industrielles et l'apprentissage (chaire ENS-CEA-Atos lancée en 2016). La collaboration se prolonge aujourd’hui sur l’informatique quantique (chaire ANR-CEA-Atos lancée en 2018).

Le calcul quantique : une structure autour de l’écosystème de R&D sur le semi-conducteur

L’écosystème grenoblois sur le calcul quantique à base de silicium s’est structuré autour de celui de la recherche sur le semi-conducteur (CEA, Soitec, STMicrelectronics, Atos…). Grâce à de nombreux projets supportés par des fonds européens ou du gouvernement français, l’Institut Néel au CNRS, les départements de recherche fondamentale et le CEA Leti, l’Université Grenoble Alpes travaillent désormais en collaboration avec les industriels sur les thématiques allant de l’optimisation du qubit à la conception des algorithmes qui sauront tirer avantage des performances propres au silicium.



* Centre coloré du diamant : il s'agit d'un défaut localisé dans la structure du diamant.

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Photographie au microscope électronique d'un quantronium, première réalisation d'un bit quantique sur une puce électronique.

​Photographie au microscope électronique d'un quantronium, première réalisation d'un bit quantique sur une puce électronique, en 2002. La largeur de la boucle de ce nano-circuit est de 3 microns. © CEA


Le bit quantique

Le bit quantique ou qubit est l'unité élémentaire pouvant porter une information quantique. Comme le 1 et le 0 sont les deux états d'un bit classique ordinaire, un qubit est la superposition cohérente d'au moins deux états de base quantiques, que l'on peut noter |0> et |1>.





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