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Informatique quantique : percée d’une collaboration Polytechnique Montréal - UBC
Des équipes de scientifiques de Polytechnique Montréal et de l'Université de la Colombie-Britannique (UBC) ont franchi une étape importante vers une nouvelle génération de processeurs quantiques basés sur des semi-conducteurs. Le groupe a conçu pour la première fois un dispositif à base de germanium presque entièrement dépourvu de « bruit » atomique, un obstacle majeur qui freinait jusqu’ici le développement de cette approche. Leurs travaux ont été publiés récemment dans la revue Advanced Science.
Patrick Daoust, stagiaire postdoctoral et premier auteur de l’étude, fabrique des structures quantiques sur des gaufrettes de silicium par croissance épitaxiale, une technique qui permet de former une couche cristalline de quelques dizaines d’atomes d’épaisseur. (Crédit : Martin Primeau)
Alors que les premiers ordinateurs quantiques voient le jour autour de nous, des équipes de recherche de partout dans le monde travaillent sur les générations de demain pour créer ce qui deviendra le standard de fabrication d’un qubit, l’unité d’information de base des ordinateurs quantiques.
Certains groupes misent sur les supraconducteurs, soit l’approche qui a fait le succès des premiers ordinateurs quantiques d’IBM et de Google. D’autres envisagent plutôt des stratégies reposant sur des ions piégés, sur des défauts quantiques dans le diamant ou sur des semi‑conducteurs. L’équipe d’Oussama Moutanabbir, professeur au Département de génie physique à Polytechnique Montréal, s’est d’ailleurs engagée dans cette quatrième voie. Et ses explications permettent de comprendre pourquoi.
« Pour concevoir les puces actuelles de nos ordinateurs, on se base déjà sur des infrastructures de production de semi-conducteurs, explique le professeur Moutanabbir, qui agit également à titre de directeur scientifique de l’Institut Lassonde pour les innovations de rupture à Polytechnique Montréal. Fabriquer des puces quantiques par des procédés similaires permet d’envisager une mise à l’échelle rapide et de passer d’ordinateurs ayant quelques qubits à des versions qui en contiendront des milliers, puis des millions. »
Alexis Dubé-Valade, Nicolas Rotaru, Sebastian Koelling, Patrick Daoust et Eloïse Rahier (de gauche à droite), tous de l’équipe d’Oussama Moutanabbir, ont contribué à cette publication scientifique, assistés par la sonde atomique tomographique de la plateforme PolyAPT de Polytechnique Montréal, un outil qui permet de décortiquer la structure atomique d’échantillons un atome à la fois (crédit Martin Primeau).
Les promesses du germanium en quantique
Mais avant de fabriquer des ordinateurs quantiques de plusieurs qubits, il faut d’abord concevoir des dispositifs fiables, capables de préserver longtemps l’information qu’ils contiennent. Pour y arriver, l’équipe de Polytechnique mise sur un matériau cousin du silicium dans le tableau périodique : le germanium.
Sous forme de cristal, le germanium agit comme un semi-conducteur : non seulement transporte-t-il l’électricité, mais il permet surtout que l’on contrôle le flot des électrons qui y circule grâce à de minuscules variations électriques. Et ce n’est là qu’un des critères essentiels à la fabrication de qubits à base d’un semi-conducteur, confie Patrick Daoust, stagiaire postdoctoral et premier auteur de la publication.
« Le plus important, c’est que le matériau doit permettre de stocker de l'information quantique pendant de longues périodes, souligne-t-il, ajoutant que la compatibilité du matériau avec le silicium et avec les procédés de fabrication des semi-conducteurs constituent d’autres critères importants. Le cristal de germanium coche toutes les cases. »
Ce qui était prometteur sur papier ne s’est toutefois pas matérialisé dans l’immédiat. Les premiers cristaux de germanium testés pour leurs propriétés quantiques souffrent d’un problème contraignant : certains des atomes de silicium et de germanium qu’ils renferment génèrent de l’interférence magnétique qui brouille le fonctionnement du dispositif.
Les responsables du problème ont pour noms « silicium 29 (Si29) » et « germanium 73 (Ge73) ». Ces formes alternatives des atomes de silicium et de germanium – qu'on désigne par le terme isotope - possèdent des propriétés quantiques différentes de leurs cousins, le silicium 28 et le germanium 70, soit les versions qui sont réellement utiles pour les applications quantiques.
« Au niveau quantique, c’est un réel problème, explique le professeur Moutanabbir. Les isotopes Si29 et Ge73 se comportent comme de minuscules aimants qui rendent les signaux quantiques trop instables pour être réellement exploités. »
Le groupe a donc attaqué le problème à sa racine en mettant en place à Polytechnique Montréal une infrastructure de fabrication de cristaux purs jusque dans leurs isotopes; une plateforme qui en plus se veut entièrement compatible avec les standards actuels de l’industrie. Exit Si29 et Ge73 : les nouvelles versions de cristaux ne renfermeront que les isotopes pertinents aux yeux des chercheurs.
Un coup de main de la côte ouest
L’initiative a permis de produire une nouvelle génération de cristaux de germanium et de silicium, mais encore fallait-il confirmer que ceux-ci remplissaient leurs promesses théoriques. Pour en avoir le coeur net, le groupe montréalais a fait appel à l’équipe du professeur Joseph Salfi du Stewart Blusson Quantum Matter Institute de l’UBC pour évaluer les propriétés magnéto-électriques des cristaux de germanium.
En appliquant des tensions électriques, le groupe britanno-colombien a montré qu’il était possible de contrôler finement le comportement électronique de la structure. En d’autres termes : ils ont montré qu’on pouvait manipuler la manière dont les charges électriques se répartissent à l’intérieur du cristal, une condition incontournable pour envisager la création d’un qubit dans le cristal de germanium.
Malgré l’atteinte de ce nouveau jalon, la route nous amenant vers des ordinateurs quantiques à base de semi-conducteurs reste encore très longue. En ayant éliminé l’une des principales sources de « bruit » contenues dans les cristaux de germanium, les équipes de Polytechnique Montréal et de l’UBC viennent toutefois de lever un verrou important, et rapprochent cette technologie d’une réalité industrielle.
Un travail globalement rendu possible grâce au soutien principal de la Défense Nationale à travers le programme Innovation pour la Défense, l’Excellence et la Sécurité (IDEeS) ainsi que de plusieurs autres organismes subventionnaires, incluant le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG), la Fédération canadienne de l’innovation (FCI), Mitacs et PRIMA Québec.
En savoir plus
Article publié dans Advanced Science (en anglais)
Fiche d’expertise du professeur Oussama Moutanabbir
Site du Département de génie physique de Polytechnique Montréal
Site de la plateforme PolyAPT (en anglais)
Fiche d'expertise du professeur Joseph Salfi
Site du Stewart Blusson Quantum Matter Institute (Blusson QMI) (en anglais)
