Profession

Calcul quantique

Un substrat en vue de la production en série de composants

| 20 mars 2018 |

© Jayet/CEA
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.

Le CEA-Leti et l’Institut Nanosciences et cryogénie (Inac, CEA/UGA) ont franchi une étape importante vers la fabrication à grande échelle de boites quantiques (qubits), briques élémentaires des futurs processeurs de calcul quantique.

Les chercheurs ont réussi à obtenir, sur des plaques (ou galettes) de silicium, une fine couche d’isotope 28 du silicium (28Si) dont le degré 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.

 

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 nucléaire 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 oeuvre 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, nécessaires à la fabrication de composants », explique Marc Sanquer, Inac.

 

Une production massive de qubit nécessaire pour les futurs processeurs

Ce résultat a été obtenu par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) sur une plateforme pré-industrielle utilisant des galettes de silicium de diamètre 300 mm, standard largement utilisé sur les lignes de production de masse de l’industrie microélectronique. Le gaz de silicium enrichi en isotope 28 utilisé en CVD a été fourni par l’institut de chimie des substances de haute pureté de l’Académie des sciences de Russie, avec le soutien de la société Air liquide.

« 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 ».


 

Une R&D désormais européenne

Ce résultat doit faire partie des contributions du CEA au vaste programme européen Flagship On Quantum Technology (H2020), notamment grâce à son expertise scientifique 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 continu de valeurs, et même plusieurs valeurs en même temps.

Un ordinateur exploitant cette possibilité, offerte par les lois de 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 de l'ordinateur classique.

Les qubits sont les unités de construction des calculateurs quantiques. Ils peuvent être mis en oeuvre 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 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.




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