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Les recherches du CEA sur...

Le quantique

Publié le 1 avril 2021

Depuis plus de trente ans, le CEA est un acteur majeur de la recherche fondamentale et appliquée dans le domaine du calcul quantique. Menées dans le cadre de partenariats publics et privés, à l'échelle nationale et européenne, ces recherches se concentrent notamment sur deux des quatre types de qubit : les pistes supraconductrice et silicium. Les chercheurs du CEA explorent également de nouveaux matériaux pour les technologies quantiques. En parallèle, ils travaillent sur la communication quantique et sont pionniers dans le développement d'algorithmes et la sécurisation des messages via la cryptographie post-quantique. 


Calcul quantique

Le calcul quantique

Le calcul quantique est au premier plan en termes de développements scientifiques et technologiques et de la mise en place de l’organisation des structures rendant possible l’innovation, et peut entraîner le développement des autres technologies quantiques. L’ordinateur quantique, en particulier, a un rôle pivot puisqu’il permettrait de résoudre des problèmes inaccessibles à la puissance de calcul classique dans un temps décisif, tout en diminuant la consommation énergétique. Il pourrait ainsi bouleverser potentiellement les ordres économiques actuels. 

A l’échelle du laboratoire, les qubits peuvent être mis en œuvre dans une large variété de systèmes physiques. La recherche s’est d’abord naturellement portée sur des systèmes au comportement quantique avéré, comme les atomes et les ions, des systèmes pourtant difficiles à contrôler individuellement et à coupler. Par la suite, les chercheurs se sont intéressés à des systèmes plus faciles à contrôler, comme des circuits électriques, mais qui ne fonctionnent pas, en général, en régime quantique. Le CEA est impliqué sur ces deux voies, et explore des pistes sur de nouveaux matériaux. 

La piste supraconductrice

Le qubit supraconducteur est constitué d’une superposition de deux états d’un courant électrique traversant, grâce à l’effet Josephson, une barrière très fine et oscillant à haute fréquence. Cette technologie est à ce jour la plus avancée dans le champs des qubits électriquesActif sur cette voie depuis les années 1990, le CEA a produit le premier qubit supraconducteur fonctionnel en 2002 et a réalisé sur cet objet unique toutes les manipulations quantiques fondamentales. Il a inspiré la version actuellement utilisée pour réaliser des processeurs à base de qubits supraconducteurs, mise au point à Yale (Etats-Unis) de 2004 à 2006 : le « transmon avec une boîte à paires de Cooper » couplé à un résonateur micro-ondes. 


En 2012, l’équipe du CEA-Iramis à Paris-Saclay, a pu réaliser un processeur élémentaire à deux transmons (soit quatre états de base), sur lequel il a mis en œuvre un algorithme quantique élémentaire. La montée en échelle s’avère toutefois difficile. Pour vaincre la décohérence, il faudrait consacrer un très grand nombre de qubits (> 1 000) à la correction d’un seul. Google et IBM se lancent sur cette voie et réalisent dès 2018 des processeurs à quelques dizaines de qubits, mettant en œuvre des algorithmes quantiques un peu plus complexes, mais sans correction d’erreur. Ils sont encore loin de démontrer leur avantage sur une machine classique pour résoudre un calcul complexe, comme celui de la structure d’une molécule. 


Vers des qubits supraconducteurs intrinsèquement plus cohérents 

L’équipe du CEA-Iramis cherche donc en parallèle à obtenir des qubits intrinsèquement plus cohérents, en utilisant notamment les spins d’électrons et de noyaux d’impuretés atomiques dans des isolants, couplés à des circuits quantiques supraconducteurs. Ces travaux sur la physique des spins ont conduit à une amélioration de cinq ordres de grandeur de la sensibilité de la résonance paramagnétique électronique, et un nouveau dispositif de détection des spins fournira peut-être une solution à leur mesure directe. Cependant, ce gain en cohérence entraîne une difficulté bien plus grande de contrôle de ces objets quantiques microscopiques. 

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. 

2002 : le CEA produisait le premier qubit fonctionnel au monde

Le CEA-Iramis, installé à Paris-Saclay, et le CEA-Irig, installé à Grenoble, s’intéressent déjà dans les années 1990 au transport électronique dans les conducteurs quantiques, comme des nanotubes de carbone, et au comportement quantique des circuits électriques en général.

En 1997, les équipes du CEA-Iramis réalisent un premier circuit électrique supraconducteur dit « boîte à paires de Cooper », assez découplé de son environnement. Deux ans plus tard, une équipe de la Nippon Electric Company (NEC-Japon) montre que l’on peut réaliser une superposition cohérente des deux états de ce circuit, c’est-à-dire produire un qubit.


En 2002, les chercheurs du Service de physique de l’état condensé (SPEC, CEA/CNRS), installé au CEA-Iramis, obtiennent ainsi le premier qubit supraconducteur fonctionnel, cent fois mieux protégé contre la décohérence que celui du NEC. 


De là, ils implémentent des algorithmes quantiques dans des processeurs élémentaires, formés de quelques qubits. Les résultats de cette expérience ont été publiés dans Science.

A la recherche de nouveaux matériaux  

Le CEA se positionne sur une large gamme de matériaux quantiques. A Grenoble, des recherches sont conduites sur les nouveaux matériaux 2D : graphène, dichalcogénures ou encore hétérostructures de Van der Waals mais aussi les isolants et les supraconducteurs topologiques (2D et 3D) et non-conventionnels. 

Des résultats pionniers ont été obtenus en optique quantique électronique, ouvrant la voie à des opérations quantiques dans des dispositifs à base de matériaux nouveaux, comme le graphène. Des premières mesures ont été réalisées dès 2018 au CEA-Iramis sur l’interféromètre Mach Zehnder électronique. 

Le graphène, peu coûteux, montre un haut degré de cohérence quantique même à des températures modérément basses (quelques Kelvin). Dans ce matériau, pour un état de spin donné, deux états  de vallée sont possibles, qui peuvent être utilisés pour le codage de l’information. Des expériences d’optique quantique électronique ont montré, pour la première fois, qu’il était possible de manipuler de façon cohérente ces vallées, et de constituer une forme inédite de qubit.

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​Echantillon de graphène implémenté dans un dispositif de mesure bas-bruit. © P.Stroppa / CEA



La piste CMOS silicium : vers l’industrialisation

La deuxième voie poursuivie par le CEA consiste à convertir le silicium, sur lequel s'est construite toute l'industrie micro-électronique, en support de qubits. Au lieu du courant électrique circulant dans les transistors au silicium des ordinateurs classiques, il s'agit ici de réussir à manipuler le degré de liberté de spin d’un électron unique, grâce à des champs magnétiques à très basse température. L’information est en effet encodée dans le spin de l’électron, qu’il faut conserver le plus longtemps possible en état de superposition.

L’avantage de cette piste, qui repose sur le standard CMOS de la micro-électronique, réside dans l’existence de lignes de fabrication industrielles déjà éprouvées. Elles permettront d’accéder à une forte densité d’intégration, et donc à une implémentation facilitée de « codes de surface » pour corriger les erreurs. 

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​Etude à très basse température des circuits silicium fabriqués au CEA-Leti - Testeur automatique sous pointe de plaques silicium 300mm. © D.Guillaudin / CEA



Des étapes fructueuses
  • En décembre 2016, le CEA-Leti, l’Institut Nanosciences et cryogénie (Inac, CEA/UGA) et l’Institut Néel (CNRS) sont les premiers au monde (4 ans avant Intel et l’IMEC) à fabriquer un qubit de silicium en technologie CMOS industrielle (en l’occurrence, il s’agit de la technologie FDSOI développée pour le marché de la basse consommation avec STMicroelectronics et SOITEC).


  • En 2019, le projet QuCube, mené par des chercheurs du CEA-Leti, du CEA-Irig et du CNRS, est lauréat de l’appel à proposition ERC Synergy Grant. Le projet recevra 14 millions d’euros sur 6 ans pour réaliser un processeur rassemblant au moins une centaine de qubits silicium physiques, et permettant la démonstration d’un premier qubit logique fonctionnel.

    Le CEA-Leti apportera sa contribution sur les technologies de fabrication de la microélectronique et la conception des circuits et des systèmes ; le CEA-Irig, son expertise sur les propriétés quantiques des nanostructures à base de silicium et des mesures à très basses températures ; l’Institut Néel du CNRS, son savoir-faire sur les manipulations quantiques des objets individuels et enfin l’Université Grenoble-Alpes, ses compétences sur les algorithmes quantiques.

  • En parallèle, le CEA continue d’accroître ses équipes, au sein de l’Institut de Physique Théorique à Paris-Saclay et du CEA-Leti à Grenoble, pour répondre aux questions difficiles que posent encore les algorithmes quantiques, les architectures quantiques, la montée en échelle et la correction d’erreur quantique.


Des architectures de calcul à la pile logicielle et à l’algorithmie 

L’une des forces du CEA est sa capacité à être présent sur l’ensemble de la chaîne de valeur du calcul quantique. A Saclay et à Grenoble, le CEA a lancé un programme de recherche interne piloté par le CEA-List, appelé QSTACK, qui se situe à la croisée des chemins entre les applications du calcul quantique, l'orchestration et le contrôle des circuits physiques. Il entend contribuer à l’étude de la pile logicielle et architecturale, c’est-à-dire l'ensemble des couches liant les algorithmes au matériel, qui autorisera la programmation et l'exécution d'applications réalistes sur le futur ordinateur quantique.

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© Adobe Stock

Entre les recherches sur la réalisation des qubits physiques d’une part et sur le développement d’algorithmes quantiques d’autre part, l’ambition du CEA est de construire les bases de la future science du logiciel quantique. Le programme vise à :


  • Développer des couches logicielles indispensables à la programmation quantique des langages de programmation quantique de haut niveau et des outils d’analyse dédiés jusqu'au contrôle des ensembles de qubits physiques, en passant par des chaînes de compilation optimisées.
  • Co-développer une architecture matérielle cohérente avec les couches logicielles et qui prend en compte en particulier les interfaces de contrôle bas niveau des qubits et de leur topologie d'interconnexion jusqu'à l'interface avec les parties classiques d'une architecture de machine. 
  • Evaluer l’avantage du calcul quantique sur des applications réelles en se focalisant sur les domaines de l’optimisation et de l’apprentissage automatique (machine learning). L’objectif du CEA est de proposer le mode de calcul quantique (analogique, « annealer », NISQ, LSQ, simulation) le plus adapté au problème posé.


Expertises en communication, cryptographie et capteurs

Comme pour l’algorithmie quantique, le CEA a développé très tôt des recherches fondamentales et technologiques en matière de communication quantique, de sécurisation des réseaux et de développement de capteurs adéquats pour mieux identifier et caractériser ces communications.

Le CEA est impliqué dans la construction d’un réseau quantique paneuropéen via la participation d’un chercheur de l’IPhT à la Quantum Internet Alliance, lancée en 2018, qui travaille désormais à l’élaboration des premiers prototypes de réseaux académiques. 

Experts depuis très longtemps en hardware, entre autres, les chercheurs du CEA s’attèlent à contourner notamment l’un des obstacles majeurs imposés par la communication quantique, à savoir la bonne distribution de l’intrication sur de très longues distances dans des réseaux quantiques. Pour mieux soutenir ces recherches, le CEA-Irig, à Grenoble, est pionnier dans le développement de sources de paires de photons individuels intriqués. Ses recherches sur le sujet se concentrent sur les fils photoniques et le centre G du silicium, à savoir une impureté à base de carbone contenue dans le silicium. 

Pour sécuriser ces communications et les réseaux associés, le CEA travaille historiquement sur la cryptographie post-quantique, via le développement de cryptosystèmes qui échappent aux ordinateurs quantiques. En effet, l’arrivée possible d’un ordinateur quantique pourrait remettre en cause les techniques de chiffrement actuel et faire place à un nouveau référentiel. A ce propos, les équipes du CEA-List ont notamment une expertise en chiffrement homomorphe, technique de cryptographie euclidien. De son côté, le CEA-Leti s’attèle à améliorer la résistance aux attaques physiques lors de l’implémentation de cryptosystèmes post-quantique dans des objets contraints et des systèmes embarqués.

Enfin, le CEA-Iramis travaille sur différents types de capteurs s’appuyant sur des effets de magnétoresistance, notamment la magnétorésistance géante ou la magnétorésistance tunnel, ou sur des effets quantiques présents dans des circuits supraconducteurs. Sur ces principes, on peut citer la réalisation de capteurs magnétiques ultrasensibles, avec de multiples applications en particulier en magnétoencéphalographie ou en résonance magnétique nucléaire, ou encore des capteurs de photon ou de spin unique, indispensables au développement du traitement de l'information quantique.


Une diversité d’activités complémentaires et des équipements exceptionnels

Les domaines connexes sont indispensables à l’émergence des technologies de l’ordinateur quantique et de l’ingénierie quantique. La pluridisciplinarité des équipes du CEA  spécialisées dans l’électronique cryogénique, la nano-implantation contrôlée d’ions dans les matériaux, des sources de photons 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 sont des atouts pour soutenir le développement des technologies quantiques

Le CEA dispose d’outils d’élaboration de matériaux et de nano-objets, couplés à des moyens avancés de caractérisation et de simulation, qui lui permettent de concevoir des dispositifs innovants. Pour ce faire, le CEA s’appuie sur des plateformes, à Saclay et Grenoble, comme la PFNC (plateforme de nanocaractérisation), les plateformes technologiques amont (salles blanches et équipements de nanofabrication), le centre de simulation prédictive et les grandes infrastructures de recherche (ILL, ESRF) pour la caractérisation avancée.

Par ailleurs, dans le cadre du plan quantique, le CEA accueillera au sein du Très Grand Centre de Calcul (TGCC), principal centre de calcul public français installé à Bruyères-le-Châtel (91) et hébergeant déjà un simulateur quantique dénommé 'Quartz' fourni par Atos, une première infrastructure d’ordinateurs quantiques hybrides, en s’appuyant sur les expertises du GENCI et du CEA, concepteur et exploitant du TGCC. Dès 2023, un ordinateur quantique hybride de 100 qubits devrait être hébergé au TGCC.

Des écosystèmes français et européens foisonnants

  • En France : les travaux menés au CEA profitent d’écosystèmes de recherche et d’innovation favorables à une coordination entre recherche, enseignement et industrie, qui s’inscrit pleinement dans le cadre du plan quantique français au sein de QUANTUM, centre en sciences et technologies quantiques à Paris-Saclay et, pour Grenoble, autour des équipes mixtes QuantECA, l’équipe NanoPhysique et SemiConducteurs (NSPC) et du projet Quantum Silicon Grenoble. 

    Le CEA a développé des collaborations de longue date avec Atos en calcul intensif et sur la conception conjointe de supercalculateurs. ; Pplus 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).
  • En Europe, des collaborations fructueuses : en plus d’une quinzaine de prestigieuses bourses ERC dont une ERC-synergie dotée de 14  M€, le CEA s’inscrit également pleinement dans la feuille de route européenne Quantum Flagship avec la piste silicium CMOS quantique, en assurant la coordination du projet QLSI à l’échelle européenne depuis le 1er septembre 2020. Doté à hauteur de 15 millions d’euros, ce projet vise à préparer le passage à l’échelle industrielle d’une informatique quantique basée sur les technologies CMOS. Il doit notamment valider la pertinence du CMOS en réalisant 16 qubits opérationnels en 2024. 19 grands acteurs du domaine participent à l’aventure, dont le CNRS, Bull, STMicroelectronics et Soitec côté français, ou TUDelft et IMEC pour les instituts de recherche européens.

    Au niveau européen, le CEA est dans l’équipe resserrée de coordination du flagship quantique (CSA QFLAG) et soutient les collaborations au niveau européen (CSA InCoQFlag). 


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​Contrôle de l'étape de lithographie électronique
lors de la fabrication de circuits à bits
quantiques supraconducteurs. © P. Stroppa/CEA



Le saviez-vous ?

Le bit quantique ou qubit
C'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>.


L’effet Josephson
Celui-ci consiste en l’apparition d’un courant entre deux matériaux supraconducteurs séparés par une couche d’un matériau non supraconducteur.  


Boîte à paires de Cooper
Léon Cooper a montré qu’une petite interaction arbitraire entre électrons dans un métal peut induire un état de paire liée. Une paire de Cooper est le nom donné à deux électrons liés entre eux de cette manière.







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




























































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​Etude à très basse température des circuits silicium fabriqués au CEA-Leti. Connecteurs RF utilisés pour les mesures haute fréquence et très basse température. © D.Guillaudin / CEA






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​Etude à très basse température des circuits silicium fabriqués au LETI Montage des puces silicium sur leur porte-échantillon utilisable à très basse température. © D. Guillaudin / CEA























































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​Etude à très basse température des circuits silicium fabriqués au LETI Microsoudure des puces silicium sur leur porte-échantillon basse température. © D.Guillaudin / CEA 























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​Vue générale du simulateur quantique « Quartz ». © P.Stroppa / CEA















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