La seconde révolution quantique est souvent appréhendée à travers les progrès des qubits et des algorithmes. Pourtant, le passage de démonstrateurs de laboratoire à des systèmes exploitables à grande échelle révèle un enjeu d’une autre nature : la capacité à organiser, intégrer et coordonner des technologies hétérogènes au sein de systèmes complexes. Cryogénie à très basse température, chaînes électroniques massives de contrôle et de lecture constituent une infrastructure immergée, mais déterminante, du quantique. Dans cet article, nous proposons une lecture organisationnelle et industrielle de ces technologies habilitantes, en montrant comment elles structurent les architectures des systèmes quantiques, les chaînes de valeur associées et les modes de coopération entre acteurs publics et privés. Nous mettons en évidence en quoi la transformation du calcul promise par la rupture scientifique de la seconde révolution quantique n’aboutira qu’en relevant de nombreux défis d’ingénierie.
La seconde révolution quantique est souvent appréhendée à travers les progrès des qubits et des algorithmes. Pourtant, le passage de démonstrateurs de laboratoire à des systèmes exploitables à grande échelle révèle un enjeu d’une autre nature : la capacité à organiser, intégrer et coordonner des technologies hétérogènes au sein de systèmes complexes. Cryogénie à très basse température, chaînes électroniques massives de contrôle et de lecture constituent une infrastructure immergée, mais déterminante, du quantique. Dans cet article, nous proposons une lecture organisationnelle et industrielle de ces technologies habilitantes, en montrant comment elles structurent les architectures des systèmes quantiques, les chaînes de valeur associées et les modes de coopération entre acteurs publics et privés. Nous mettons en évidence en quoi la transformation du calcul promise par la rupture scientifique de la seconde révolution quantique n’aboutira qu’en relevant de nombreux défis d’ingénierie.
La chimie est souvent considérée comme l’une des applications les plus prometteuses du calcul quantique. Cette association repose sur une affinité profonde entre les lois qui gouvernent les systèmes moléculaires et les principes de l’information quantique. Pourtant, derrière cette intuition séduisante se cache une réalité scientifique et industrielle bien plus complexe. Dans cet article, nous explorons les fondements de cette promesse, ainsi que les défis algorithmiques et industriels qui conditionnent encore sa concrétisation.
Traitement intégré pour la lecture massive de bits quantiques L’informatique quantique promet de nombreuses révolutions dans divers domaines en permettant de réaliser des calculs massivement parallèles actuellement inaccessibles aux ordinateurs classiques. Cependant, pour atteindre un ordinateur quantique tolérant aux fautes et pleinement opérationnel, il faudra disposer de millions de bits quantiques (qubits) fonctionnant à des températures cryogéniques. De plus, la manipulation, le contrôle et la lecture d’un si grand nombre de qubits représentent un défi crucial, pour lequel l’électronique intégrée cryogénique (Cryo-CMOS) s’est déjà révélée être une candidate prometteuse. Ce travail de doctorat vise à explorer la mise en oeuvre d’une architecture de lecture intégrée compatible avec un grand nombre de qubits, ce qui sera essentiel pour la lecture future de millions de qubits. La première étape a été l’identification d’une limitation dans l’état de l’art des architectures cryo-CMOS de lecture à grande échelle pour la lecture de qubits de spin. Ces architectures nécessitent typiquement des inductances difficilement intégrables, dont la taille est prohibitive par rapport à celle des qubits, ce qui les rendra rapidement limitantes avec l’augmentation du nombre de qubits. Afin d’adresser ce problème, nous avons proposé une architecture de lecture de courant multiplexée en fréquence, qui peut être complètement intégrée et n’utilise pas d’inductances. De plus, nous avons introduit l’utilisation des électromètres comme modulateur afin de réaliser des modulations d’ordres supérieurs. Cela permet effectivement d’augmenter la capacité théorique de notre architecture de lecture multiplexée en courant et ouvre la voie à la lecture de plusieurs qubits par fréquence de porteuse. Nous avons ensuite mis en évidence la topologie de l’amplificateur transimpédance à rétroaction capacitive (CTIA) comme une candidate prometteuse pour la mise en oeuvre de notre architecture de lecture. Face aux limitations de la modélisation de cette topologie, nous avons développé un modèle complet décrivant sa réponse fréquentielle, son bruit et sa stabilité. En utilisant ce modèle, nous avons pu démontrer que la topologie CTIA offre de meilleures performances que la topologie d’amplificateur transimpédance à rétroaction résistive (RTIA) déjà démontrée. Finalement, cela nous a permis d’établir une stratégie de conception claire pour relever les défis liés à la conception d’un CTIA pour des applications cryogéniques. Deux circuits ont été conçus en utilisant deux noeuds technologiques (28nm et 22nm), intégrant des électromètres, un CTIA et un buffer, afin de démontrer notre lecture multiplexée par lecture de courant. Le bon fonctionnement de notre CTIA et de notre buffer à 4,2K a ensuite été validé pour les deux circuits conçus, en tirant parti de la flexibilité implémentée lors de la conception et de la polarisation des grilles enterrées, rendue possible par les technologies FDSOI. En utilisant notre CTIA et buffer placés à 4,2K, nous avons caractérisé avec succès plusieurs électromètres conçus dans deux technologies commerciales différentes, en utilisant des mesures de conductance gds et de transconductance gm. Nous avons ensuite démontré le premier multiplexage en fréquence de plusieurs électromètres utilisant de l’électronique Cryo-CMOS, sans nécessiter d’inductances. Puis, nous avons réussi la première lecture de plusieurs électromètres avec une modulation de haut ordre, permettant ainsi de lire plusieurs électromètres par fréquence de porteuse. De plus, les performances obtenues lors de ces deux démonstrations, en termes de temps de lecture, de consommation et d’empreinte, sont compétitives par rapport à l’état de l’art, ce qui ouvre la voie à des architectures intégrées compactes pour la lecture d’un grand nombre de qubits
Dans cet article, nous faisons le point sur l’élaboration et l’usage potentiel des ordinateurs quantiques tolérants aux fautes capables de traiter de manière fiable des calculs complexes en surmontant les erreurs et le bruit inhérent aux systèmes quantiques. Dans un premier temps, les intérêts attendus en gains de performance par le calcul quantique sont évoqués ainsi que leurs limites à la fois théoriques et pratiques. Dans un second temps, la nécessaire correction d’erreurs quantiques est abordée. Cette dernière passe par l’encodage de l’information logique, que l’on souhaite protéger, sur un grand nombre de qubits physiques délocalisés afin d’avoir un qubit fiable. Tout en estimant qu’il faut au maximum mille qubits physiques pour obtenir un qubit logique fiable, nous soulignons la difficulté majeure que constitue le passage à l’échelle du nombre de qubits physiques pour résoudre des problèmes réels. Sont ensuite énoncées les différentes technologies de qubits ainsi que leurs enjeux. Puis est abordée la problématique du passage à l’échelle de manière modulaire par l’interconnexion de petits modules quantiques. Une quatrième partie mentionne les enjeux économiques et la coopétition avec les calculateurs classiques et l’IA. Tout en soulignant les progrès en cours et en observant la position française sur cinq voies technologiques, nous appelons aussi à la prudence au regard d’effets d’annonce.
Depuis la fin du XXe siècle, la théorie quantique connaît un renouveau qui se traduit par l’émergence de technologies utilisant toute la puissance des interférences quantiques pour mesurer, simuler, communiquer et calculer. Parallèlement, cette « seconde révolution quantique » remet en question notre compréhension de la théorie quantique et nous pousse à dépasser la vision purement utilitariste de l’interprétation de Copenhague. Le livre utilise cette exploration pour éclairer le sens de la théorie quantique en insistant sur l’absence d’état objectif défini sans référence à un observateur. Il s’agit du premier (et seul) ouvrage qui présente une synthèse de l’ensemble de ces sujets. Cet ouvrage a donc un double objectif : d’une part, il donne une introduction globale au domaine des technologies quantiques en présentant les relations entre théorie quantique, théorie de l’information et informatique ; d’autre part, il vise à éclairer le sens de la théorie quantique en se focalisant sur la notion d’état quantique. L’ensemble de ces sujets est présenté en une synthèse originale. Ce premier volume offre au lecteur, qu’il soit physicien, ingénieur, mathématicien ou informaticien, la possibilité de se familiariser avec les technologies quantiques. Une discussion des systèmes d’électrodynamique en cavité : atomes en cavité et aussi circuits supraconducteurs, illustre concrètement nombre d’idées et méthodes. Un second volume à venir approfondira le statut de la localité et des probabilités. Il montrera l’émergence d’un monde classique au sein de la théorie quantique, pour finalement éclaircir les défis posés par l’interprétation de celle-ci.
Depuis la fin du XXe siècle, la théorie quantique connaît un renouveau qui se traduit par l’émergence de technologies utilisant toute la puissance des interférences quantiques pour mesurer, simuler, communiquer et calculer. Parallèlement, cette « seconde révolution quantique » remet en question notre compréhension de la théorie quantique et nous pousse à dépasser la vision purement utilitariste de l’interprétation de Copenhague. Le livre utilise cette exploration pour éclairer le sens de la théorie quantique en insistant sur l’absence d’état objectif défini sans référence à un observateur. Il s’agit du premier (et seul) ouvrage qui présente une synthèse de l’ensemble de ces sujets. Cet ouvrage a donc un double objectif : d’une part, il donne une introduction globale au domaine des technologies quantiques en présentant les relations entre théorie quantique, théorie de l’information et informatique ; d’autre part, il vise à éclairer le sens de la théorie quantique en se focalisant sur la notion d’état quantique. L’ensemble de ces sujets est présenté en une synthèse originale. Ce premier volume offre au lecteur, qu’il soit physicien, ingénieur, mathématicien ou informaticien, la possibilité de se familiariser avec les technologies quantiques. Une discussion des systèmes d’électrodynamique en cavité : atomes en cavité et aussi circuits supraconducteurs, illustre concrètement nombre d’idées et méthodes. Un second volume à venir approfondira le statut de la localité et des probabilités. Il montrera l’émergence d’un monde classique au sein de la théorie quantique, pour finalement éclaircir les défis posés par l’interprétation de celle-ci.
La course pour l’ordinateur quantique bat son plein, avec de multiple e!ort public et privé pour construire des ordinateurs quantiques à grande échelle. Parmi les défis à relever pour construire de tels ordinateurs, la lecture rapide et précise de l’état des qubits est un enjeu majeur. En e!et, la lecture est une étape cruciale dans l’exécution d’algorithmes quantiques, ainsi que dans la correction d’erreur quantique. Cette lecture doit être rapide et précise. Afin d’y arriver, il est possible de faire varier la forme du contrôle utilisé pour exciter le résonateur de lecture. Cependant, trouver une forme de contrôle optimale pour la lecture est un défi. En fait, le contrôle optimal quantique est un domaine de recherche qui vise à utiliser des méthodes d’optimisation pour trouver des formes de contrôle optimales. Dans ce mémoire, on applique le contrôle optimal à l’amélioration de la mesure, et ce pour deux situations. Premièrement, on utilise cette méthode pour améliorer la mesure du qubit fluxonium en profitant, en particulier, de la possibilité de changer le flux dans la boucle de ce qubit en fonction du temps. En utilisant cet outil, il a été possible d’obtenir une amélioration d’un ordre de grandeur de la précision de la lecture standard du fluxonium. En modifiant le flux en cours de mesure, cette amélioration est encore plus significative, avec une amélioration de plus de deux ordres de grandeur. Dans un deuxième temps, on applique le contrôle quantique afin d’améliorer un nouveau type de mesure des qubits transmons : la mesure par jonction. Dans ce contexte, l’outil d’optimisation a permis d’améliorer significativement la lecture par jonction du transmon, en réduisant le temps de réinitialisation du résonateur. Ces résultats démontrent le potentiel de l’utilisation du contrôle optimal quantique comme outil pour l’amélioration de la lecture de différents types de qubits.