Une puce pour contrôler les ordinateurs quantiques

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© 2021 EPFL

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Une puce capable de fonctionner à des températures extrêmes ouvre une piste pour réaliser un ordinateur quantique évolutif entièrement intégré. Une recherche menée par des ingénieurs de QuTech aux Pays-Bas, d’Intel Corp et de l’EPFL.

Une puce spécialement conçue pour contrôler des qubits et qui peut fonctionner à des températures extrêmement basses ouvre une piste pour faire sauter le « goulet d’étranglement du câblage ». Des chercheurs et des ingénieurs de QuTech aux Pays-Bas, d’Intel Corp. et de l’EPFL ont conçu et testé en commun cette puce cryogénique et franchi une étape importante vers un ordinateur quantique évolutif. Leurs résultats sont publiés dans la revue scientifique Nature.

L’adressage de chaque unité de base d’un ordinateur quantique, un qubit, est en général réalisé individuellement par un seul fil. « Cela bloque la voie vers un ordinateur quantique évolutif, car des millions de qubits nécessitent des millions de fils » explique le responsable de recherche Lieven Vandersypen de QuTech. « C’est ce que l’on appelle le goulet d’étranglement du câblage ». Dans les ordinateurs traditionnels, un processeur moderne avec des milliards de transistors n’a que quelques milliers de connexions. De plus, le recours à des solutions traditionnelles est compliqué par les températures cryogéniques de fonctionnement des qubits (20 millikelvin, soit env. -273 degrés Celsius). » Une telle puce ne supporterait tout simplement pas ces températures extrêmes, de sorte qu’une nouvelle puce de contrôle cryogénique a été conçue et testée.

Intel Horse Ridge

Les ingénieurs d’Intel et de QuTech - une collaboration entre l’université de technologie de Delft et la TNO, l’organisation des Pays-Bas pour la recherche scientifique appliquée, - ont conçu un circuit intégré spécial à base de silicone capable de résister au froid (3 degrés Celsius au-dessus du zéro absolu) et aussi d’adresser des qubits. Cette puce appelée « Horse Ridge » est nommée d’après l’endroit le plus froid de l’Oregon, l’État où se trouve le laboratoire Intel.

« Nous avons exploité la même technologie que celle adoptée pour le microprocesseur conventionnel, la technologie CMOS. Pour Horse Ridge, nous avons fait un usage spécifique de la technologie Intel 22nm basse puissance FinFET » précise le responsable de recherche adjoint Edoardo Charbon, responsable de l’Advanced Quantum Architecture Laboratory de l’EPFL. « Comme les équipements électroniques ont un comportement très différent à des températures cryogéniques, nous avons recouru à des techniques spéciales dans la conception de la puce pour assurer son bon fonctionnement et pour piloter les qubits avec une grande précision. » Finalement, la puce contrôleur et les qubits peuvent être intégrés sur le même die (car ils sont tous fabriqués en silicone) ou package, ce qui élimine en outre le goulet d’étranglement du câblage.

Haute fidélité et bonne programmabilité

Pour évaluer la qualité du chip de contrôle cryogénique Horse Ridge, il a été comparé à un contrôleur de température ambiante classique. Il est apparu que la fidélité de porte du système est très élevée (99,7%) et que sa limitation découle non pas du contrôleur, mais des qubits eux-mêmes. C’est une bonne nouvelle pour les performances de la puce de contrôle cryogénique.

Ensuite, une démonstration de la programmabilité du contrôleur a été réalisée avec un algorithme quantique à deux qubits. L’algorithme de Deutsch-Jozsa est l’un des algorithmes les plus simples à être bien plus efficace sur un ordinateur quantique que sur un ordinateur traditionnel. Cela démontre la possibilité de programmer la puce de contrôle avec des séquences arbitraires d’opérations et ouvre la voie vers l’implémentation sur une puce et vers un ordinateur quantique vraiment évolutif.

References

CMOS-based cryogenic control of silicon quantum circuits. Xue, Patra, Van Dijk, Samkharadze, Subramanian, Corna, Paquelet Wuetz, Jeon, Sheikh, Esdras Juarez-Hernandez, Perez Esparza, Rampurawala, Carlton, Ravikumar, Nieva, Kim, Lee, Sammak, Scappucci, Veldhorst, Sebastiano, Babaie, Pellerano, Charbon & Vandersypen

DOI : 10.1038/s41586-021-03469-4


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