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Posté par Redbran le Jeudi 22/03/2018 à 12:00
Un substrat en vue de la production en série de composants pour le calcul quantique
Le CEA et ses partenaires ont mis au point 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 boites quantiques. Cette étape esquisse un procédé compatible avec les chaînes de production industrielles aux normes CMOS.

Le CEA-Leti et l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel...) Nanosciences et cryogénie (La cryogénie est l'étude et la production des basses températures (inférieures à -150 °C) dans le but de comprendre les phénomènes physiques qui s'y manifestent. Elle possède de très nombreuses applications...) (Inac, CEA/UGA) ont franchi une étape importante vers la fabrication à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un véhicule utilisé par les sapeurs-pompiers, et qui emporte une échelle escamotable de grande hauteur. Le terme « grande...) de boites quantiques (qubits), briques élémentaires des futurs (Futurs est une collection de science-fiction des Éditions de l'Aurore.) processeurs de calcul quantique.

Les chercheurs ont réussi à obtenir, sur des plaques (ou galettes) de silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.), une fine couche d'isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons. Le nombre de protons dans le noyau d'un atome est...) 28 du silicium (28Si) dont le degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :) de pureté est très élevé et dont la structure cristalline est d'une qualité comparable à celle des films minces généralement fabriqués à partir de silicium naturel.


Les chercheurs du CEA franchissent une étape clef pour la réalisation de bits quantiques silicium, composants élémentaires d'un processeur (Le processeur, ou CPU (de l'anglais Central Processing Unit, « Unité centrale de traitement »), est le composant de l'ordinateur qui exécute les programmes informatiques. Avec la mémoire notamment, c'est l'un...) quantique, en série et aux standards de l'industrie microélectronique. © Jayet/CEA

Un isotope du silicium pour augmenter la fidélité des qubits

Le silicium naturel, très majoritairement composé de Si28, est couramment utilisé dans l'industrie électronique. Il contient cependant 4,67 % d'isotope 29. Or, cet isotope présente un spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la...) nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) qui limite la cohérence des bits quantiques (qubits) codés sur les spins électroniques, générant des erreurs de calcul.

"C'est pour éviter les pertes de cohérence que nous mettons en ?uvre nos technologies sur un silicium appauvri en 29Si. Nous avons ainsi créé, sur des plaques de silicium de 300 mm, une couche de l'ordre de 30 nm d'épaisseur dont la teneur en 29Si est inférieure à 0,006 % et dont la surface est suffisamment lisse pour subir dans de bonnes conditions les étapes successives de dépôts de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.), nécessaires à la fabrication de composants", explique Marc Sanquer (Inac).

Une production massive de qubit (On nomme qubit (quantum + bit ; prononcé /kyoobit/), parfois écrit qbit, l'état quantique qui représente la plus petite unité de stockage...) nécessaire pour les futurs processeurs

Ce résultat a été obtenu par un procédé de dépôt chimique en phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) vapeur () (CVD) sur une plateforme pré-industrielle utilisant des galettes de silicium de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur de ce segment. Pour...) 300 mm, standard largement utilisé sur les lignes de production de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la masse grave). Ces...) de l'industrie microélectronique. Le gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de...) de silicium enrichi en isotope 28 utilisé en CVD a été fourni (Les Foúrnoi Korséon (Grec: Φούρνοι Κορσέων) appelés plus communément Fourni, sont un archipel de petites îles grecques...) par l'institut de chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.) des substances de haute pureté de l'Académie des sciences (Une académie des sciences est une société savante dont le rôle est de promouvoir la recherche scientifique en réunissant certains des chercheurs les plus éminents, en tenant des...) de Russie, avec le soutien de la société Air liquide (Air liquide est un groupe industriel français d'envergure internationale, leader mondial des gaz industriels, c'est-à-dire des gaz pour l'industrie, la santé, l'environnement.).

"La prochaine étape consistera à réaliser sur de tels substrats des qubits dont la fidélité devrait être nettement supérieure à celle de qubits que nous avons déjà obtenus précédemment sur silicium naturel. Et toujours au plus près du standard industriel", souligne Louis Hutin (CEA Leti). "La production massive de qubits est indispensable car un processeur électronique quantique devra intégrer de très nombreux qubits pour dépasser la performance des calculateurs classiques disponibles actuellement", poursuit M. Hutin.

Une R&D désormais européenne

Ce résultat doit faire partie des contributions du CEA au vaste programme européen Flagship On Quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit « quanta » au pluriel) représente la plus petite mesure indivisible, que ce...) Technology (H2020), notamment grâce à son expertise scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) et technologique, à ses partenariats industriels et académiques associées à sa plateforme silicium 300 mm, en cours d'installation dans les salles blanches du Leti, à Grenoble.

La fidélité d'une boite de calcul quantique

Alors que dans un calculateur classique, les bits ne peuvent prendre qu'une valeur parmi deux (soit 0 soit 1), les bits quantiques (qubits) peuvent prendre un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme...) continu de valeurs, et même plusieurs valeurs en même temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.). Un ordinateur (Un ordinateur est une machine dotée d'une unité de traitement lui permettant d'exécuter des programmes enregistrés. C'est un ensemble de circuits électroniques permettant de manipuler des...) exploitant cette possibilité, offerte par les lois de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique...) quantique, pourrait calculer de façon massivement parallèle, c'est à dire simultanément pour l'ensemble des valeurs des qubits, et ainsi surpasser considérablement la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) de l'ordinateur classique.

Les qubits sont les unités de construction des calculateurs quantiques. Ils peuvent être mis en ?uvre dans une large variété de matériaux à l'échelle du laboratoire. Mais les possibilités sont plus limitées lorsqu'on veut les produire en série car il faut utiliser des matériaux compatibles avec les standards industriels. Les qubits de spin pour le silicium sont de petite taille (typiquement 30 nm) et sont compatibles avec les technologies CMOS, largement utilisées dans l'industrie microélectronique. Ils présentent donc des avantages pour la production en série par rapport aux autres types de qubits. Depuis 2012, où ont été mis au point (Graphie) les premiers qubits basés sur des spins d'électrons confinés, le 28Si purifié isotopiquement a permis d'améliorer significativement le temps de cohérence du spin quantique. Plus le temps de cohérence du spin augmente, plus la fidélité des opérations de calcul quantique s'améliore.

Une R&D amont et aval

Les équipes grenobloises du CEA avait déjà la maîtrise (La maîtrise est un grade ou un diplôme universitaire correspondant au grade ou titre de « maître ». Il existe dans plusieurs pays et correspond à différents niveaux selon ceux-ci.) de la fabrication de qubits dans un procédé utilisant une plateforme silicium sur isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les isolants électriques, les isolants thermiques, les isolants phoniques et les...) CMOS 300 mm (b). Dans un article publié dans Nature PJ Quantum Information (b), elles démontrent qu'un spin électronique dans un transistor peut être manipulé par des signaux électriques. En amont, les physiciens du CEA à Saclay avaient déjà annoncé la mise au point d'un qubit dans un circuit électrique (Un circuit électrique est un ensemble simple ou complexe de conducteurs et de composants électriques ou électroniques parcouru par un courant électrique.) (c) dès 2002, ainsi que celle d'un dispositif de lecture fiable des qubits (d) en 2009.
- (a) A CMOS silicon spin qubit?, arXiv:1605.07599 Nature Communications 7, Article numéro: 13575 (2016) doi:10.1038/ncomms13575
- (b) Electrically driven electron spin resonance mediated by spin-valley-orbit coupling in a silicon quantum dot", Nature JP Quantum Information (2018) 4:6; doi:10.1038/s41534-018-0059-1
- (c) D. Vion,* A. Aassime, A. Cottet, P. Joyez, H. Pothier, C. Urbina, D. Esteve, M. H. Devoret Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour...), 296 (2002) 886
Single-shot qubit readout in circuit quantum electrodynamics, François Mallet, Florian R. Ong, Agustin Palacios-Laloy, François Nguyen, Patrice Bertet, Denis Vion & Daniel Esteve, Nature Physics (2009), published online: 27 September 2009

Références publication:
?Electrically driven electron spin resonance mediated by spin-valley-orbit coupling in a silicon quantum dot", Nature JP Quantum Information (2018) 4:6; doi:10.1038/s41534-018-0059-1

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Source: CEA
 
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