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Intégration cryogénique et conception de systèmes faible température

Publié le 8 février 2024

Intégration cryogénique et conception de systèmes faible température

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Intégration cryogénique

  • Tandis que les avancées concernant les capacités cryo-CMOS basiques sont encourageantes, la réussite de leur application au sein de systèmes pratiques nécessitera également des progrès au niveau du « packaging » cryogénique. Pour y parvenir, le CEA-Leti utilise actuellement sa ligne de « packaging » 3D à l'état de l'art pour développer de nouveaux interposeurs en silicium pouvant être utilisés pour assembler des matrices quantiques et les contrôleurs électroniques qui les accompagnent. Le programme ouvre la voie à un certain nombre d'options architecturales en termes de taille de matrice pour les qubits et les dispositifs cryo-CMOS, ainsi qu'à la possibilité d'intégrer des fonctionnalités supplémentaires pour la transmission entre les qubits et les cœurs.

  • Le projet d'interposeur, mené par une équipe réunissant des membres du CEA-Leti, du CEA-List, du CEA-Irig et de l'Institut Néel du Centre national de la recherche scientifique (CNRS), montre comment plusieurs briques technologiques peuvent être utilisées pour répondre aux nombreux défis associés à un projet de cette ampleur et de cette complexité. 

  • Le rôle principal de l'interposeur est d'accueillir et de mettre en relation des dispositifs contenant à la fois des éléments classiques et des éléments quantiques, en donnant ainsi la possibilité au système d'adresser et de lire les qubits, tout en permettant un meilleur contrôle technologique et une coexistence plus facile des deux types d'éléments. Cela impose que l'interposeur soit compatible avec les composants de contrôle et les composants quantiques fabriqués par différents groupes à l'aide de différents procédés et matériaux.

  • L'un des avantages importants de la conception de l'interposeur réside dans le fait que les qubits et les composants électroniques de contrôle sont couplés par des lignes de routage sur l'interposeur, plutôt que par un câblage filaire. Cela réduit la capacitance et l'inductance parasites qui compliquent les mesures. De plus, grâce à un choix minutieux des matériaux et des options de traitement, les chercheurs s'attellent actuellement à un autre défi, celui de disposer d'un interposeur fournissant un découplage thermique des puces quantiques et de contrôle, de sorte que les éléments quantiques soient maintenus à une température la plus basse possible.

  • Les travaux qui en découlent se concentrent sur des avancées connexes. L'un d'entre eux concerne l'adaptation de procédés flip-chip existants développés par le CEA-Leti grâce à des techniques de collage de matrice sur wafer (tels que les microbumps SnAg et les pads directement collés sur du Cu à l'aide d'un collage hybride Cu/SiO2) pour fabriquer des interconnexions en mesure de fonctionner de manière fiable à des températures inférieures à 1 K. L'équipe de chercheurs du CEA-Leti a remporté le prix de la meilleure publication pour sa présentation concernant ces travaux lors de la conférence Electronics System-integration Technology Conference 2020.


Conception de systèmes faible température

  • Enfin, la conception globale de ce type de système basse température innovant impliquera un partitionnement soigneux et intelligent des différentes fonctions à des paliers de température différents. C'est pourquoi figurent parmi les membres des équipes de développement du CEA des concepteurs de dispositifs RF et analogiques expérimentés qui collaborent étroitement avec des architectes matériel et des ingénieurs de couches logicielles de bas niveau pour ouvrir une voie concrète vers un système intégré entièrement opérationnel. Cela impliquera la mise en œuvre de différents éléments au niveau du système (tels que du matériel numérique et analogique) à différents paliers de température.

  • Ces travaux sont étroitement en lien avec les objectifs du projet QLSI financé par la commission européenne, en particulier ce qui concerne la démonstration d'un prototype d'ordinateur quantique intégrant un processeur quantique de haute qualité au sein d'un environnement semi-industriel (jusqu'à huit qubits disponibles en ligne) et la documentation des caractéristiques de miniaturisation pour les systèmes de plus grande ampleur dotés de plus de 1 000 qubits.


Conclusion

  • En ce qui concerne l'approche silicium, il existe encore aujourd'hui de nombreux défis à relever pour le développement de l'informatique quantique. Les avancées rapides et de grande portée réalisées jusqu'à ce jour, ainsi que les robustes bases du CEA en ce qui concerne ses connaissances et ses capacités de développement actuelles, indiquent toutefois clairement que son approche multi-institut orientée silicium appliquée à l'informatique quantique est une voie à suivre.

  • Cela couvre un éventail extraordinairement vaste de disciplines. L'expérience de longue date du CEA-Leti et d'autres instituts du CEA dans l'innovation, l'optimisation et l'application de technologies innovantes correspond parfaitement aux impératifs de ce processus de développement exceptionnellement complexe et exigeant.