Directeur du matériel quantique, Jim Clarke explique le chemin de l’entreprise vers la « praticité quantique »
Jim Clarke : C’est simple pour nous…. Les qubits de spin en silicium ressemblent exactement à un transistor….. L’infrastructure est là du point de vue de la fabrication des outils. Nous savons comment fabriquer ces transistors. Donc, si vous pouvez prendre une technologie comme l’informatique quantique et la faire correspondre à une technologie aussi omniprésente, alors la perspective de développer un ordinateur quantique est beaucoup plus claire.
Je concède qu’aujourd’hui les qubits de spin au silicium ne sont pas la technologie d’informatique quantique la plus avancée qui existe. Il y a eu beaucoup de progrès l’année dernière avec les qubits supraconducteurs et les qubits à piège à ions.
Mais il y a quelques éléments supplémentaires : Un qubit de spin en silicium a la taille d’un transistor – c’est-à-dire qu’il est à peu près 1 million de fois plus petit qu’un qubit supraconducteur. Donc, si vous prenez une puce supraconductrice relativement grande, et que vous dites « comment puis-je obtenir un nombre utile de qubits, disons 1 000 ou un million de qubits ? », tout d’un coup, vous avez affaire à un facteur de forme qui est… intimidant.
Nous fabriquons actuellement des puces de serveur avec des milliards et des milliards de transistors dessus. Donc, si notre spin qubit a la taille d’un transistor, du point de vue du facteur de forme et de l’énergie, nous nous attendrions à ce qu’il s’adapte beaucoup mieux.
Spectrum : Qu’est-ce qu’un qubit de spin au silicium et en quoi diffère-t-il de la technologie concurrente, comme les qubits supraconducteurs et les systèmes de piège à ions ?
Clarke : Dans un piège à ions, vous utilisez essentiellement un laser pour manipuler un ion métallique à travers ses états excités où la densité de population de deux états excités représente le zéro et le un du qubit. Dans un circuit supraconducteur, vous créez la version électrique d’un circuit oscillateur LC (inductance-condensateur) non linéaire, et vous utilisez les deux niveaux d’énergie les plus bas de ce circuit oscillateur comme le zéro et le un de votre qubit. Vous utilisez une impulsion micro-ondes pour manipuler entre l’état zéro et un.
Nous faisons quelque chose de similaire avec le qubit de spin, mais c’est un peu différent. Vous allumez un transistor, et vous avez un flux d’électrons d’un côté à l’autre. Dans un qubit de spin en silicium, on piège essentiellement un seul électron dans le transistor, puis on place le tout dans un champ magnétique. Cela oriente l’électron vers le haut ou vers le bas. Nous utilisons essentiellement son état de spin comme le zéro et le un du qubit.
Ce serait un qubit individuel. Ensuite, avec un très bon contrôle, nous pouvons obtenir deux électrons séparés à proximité immédiate et contrôler la quantité d’interaction entre eux. Et cela sert comme notre interaction à deux qubits.
Donc nous prenons essentiellement un transistor, fonctionnant au niveau d’un seul électron, nous le mettons à proximité très étroite de ce qui équivaudrait à un autre transistor, et ensuite nous contrôlons les électrons.
Spectre : Est-ce que la proximité entre les qubits adjacents limite la façon dont le système peut évoluer ?
Clarke : Je vais répondre à cette question de deux manières. Premièrement, la distance d’interaction entre deux électrons pour fournir une porte à deux qubits ne demande pas trop à notre processus. Nous fabriquons des dispositifs plus petits tous les jours chez Intel. Il y a d’autres problèmes, mais ce n’est pas l’un d’entre eux.
Typiquement, ces qubits fonctionnent sur une sorte d’interaction plus proche du voisin. Donc vous pourriez avoir une grille bidimensionnelle de qubits, et vous n’auriez essentiellement que des interactions entre l’un de ses plus proches voisins. Et ensuite on construit. Ce qubit aurait alors des interactions avec ses plus proches voisins et ainsi de suite. Et puis une fois que vous développez un système intriqué, c’est ainsi que vous obtiendriez une grille 2D complètement intriquée.
Spectrum : Quels sont les problèmes difficiles à l’heure actuelle avec les qubits de spin en silicium ?
Clarke : En soulignant les défis de cette technologie, je ne dis pas que c’est plus difficile que d’autres technologies. Je préfigure cela, car certainement certaines des choses que je lis dans la littérature suggèrent que les qubits sont simples à fabriquer ou à mettre à l’échelle. Quelle que soit la technologie du qubit, elles sont toutes difficiles.
Avec un qubit de spin, on prend un transistor qui est normalement traversé par un courant d’électrons, et on le fait fonctionner au niveau d’un seul électron. C’est l’équivalent d’avoir un électron unique, placé dans une mer de plusieurs centaines de milliers d’atomes de silicium et de pouvoir encore manipuler s’il fait un spin up ou un spin down.
Donc nous avons essentiellement une petite quantité de silicium, nous l’appellerons le canal de notre transistor, et nous contrôlons un seul électron dans ce morceau de silicium. Le défi est que le silicium, même un monocristal, peut ne pas être aussi propre que nous le souhaitons. Certains des défauts – qu’il s’agisse de liaisons supplémentaires, de défauts de charge ou de dislocations dans le silicium – peuvent tous avoir un impact sur l’électron unique que nous étudions. C’est vraiment un problème de matériaux que nous essayons de résoudre.
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Spectre : Juste brièvement, qu’est-ce que le temps de cohérence et quelle est son importance pour l’informatique ?
Clarke : Le temps de cohérence est la fenêtre pendant laquelle l’information est maintenue dans le qubit. Ainsi, dans le cas d’un qubit de spin en silicium, c’est le temps qui s’écoule avant que cet électron perde son orientation et brouille aléatoirement l’état de spin. C’est la fenêtre de fonctionnement d’un qubit.
Maintenant, tous les types de qubits ont ce qui revient à des temps de cohérence. Certains sont meilleurs que d’autres. Les temps de cohérence des qubits de spin, selon le type de mesure du temps de cohérence, peuvent être de l’ordre de la milliseconde, ce qui est assez convaincant par rapport aux autres technologies.
Ce qui doit se passer, c’est que nous devons développer une technique de correction d’erreur. C’est une façon complexe de dire que nous allons rassembler un tas de qubits réels et les faire fonctionner comme un très bon qubit logique.
Spectrum : A quel point ce type de correction d’erreur est-il proche ?
Clarke : C’était l’un des quatre éléments qui doivent vraiment se produire pour que nous réalisions un ordinateur quantique, dont j’ai parlé plus tôt. Le premier est que nous avons besoin de meilleurs qubits. Le deuxième est que nous avons besoin de meilleures interconnexions. Le troisième est que nous avons besoin d’un meilleur contrôle. Et quatrièmement, nous avons besoin d’une correction des erreurs. Nous avons encore besoin d’améliorations sur les trois premiers avant de vraiment arriver, de manière totalement évolutive, à la correction d’erreur.
Vous verrez des groupes commencer à faire de petits bouts de correction d’erreur sur seulement quelques qubits. Mais nous avons besoin de meilleurs qubits et nous avons besoin d’une manière plus efficace de les câbler et de les contrôler avant que vous ne voyiez vraiment une informatique quantique entièrement tolérante aux erreurs.
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Spectre : L’une des améliorations apportées aux qubits récemment a été le développement de qubits en silicium « chauds ». Pouvez-vous expliquer leur signification ?
Clarke : Une partie de cela équivaut au contrôle.
En ce moment, vous avez une puce au fond d’un réfrigérateur à dilution, et ensuite, pour chaque qubit, vous avez plusieurs fils qui partent de là jusqu’à l’extérieur du réfrigérateur. Et ce ne sont pas de petits fils, ce sont des câbles coaxiaux. Et donc, du point de vue du facteur de forme et de la puissance – chacun de ces fils dissipe de la puissance – vous avez vraiment un problème de mise à l’échelle.
Une des choses qu’Intel fait est que nous développons des puces de contrôle. Nous avons une puce de contrôle appelée Horse Ridge qui est une puce CMOS conventionnelle que nous pouvons placer dans le réfrigérateur à proximité de notre puce qubit. Aujourd’hui, cette puce de contrôle se trouve à 4 kelvins et notre puce qubit est à 10 millikelvins et nous devons toujours avoir des fils entre ces deux étages dans le réfrigérateur.
Maintenant, imaginez si nous pouvons faire fonctionner notre qubit légèrement plus chaud. Et par légèrement plus chaud, je veux dire peut-être 1 kelvin. Tout à coup, la capacité de refroidissement de notre réfrigérateur devient beaucoup plus grande. La capacité de refroidissement de notre réfrigérateur à 10 millikelvins est d’environ un milliwatt. Ce n’est pas beaucoup d’énergie. A 1 kelvin, c’est probablement quelques watts. Donc, si nous pouvons fonctionner à des températures plus élevées, nous pouvons alors placer l’électronique de contrôle à proximité immédiate de notre puce qubit.
En ayant des qubits chauds, nous pouvons co-intégrer notre contrôle avec nos qubits, et nous commençons à résoudre certains des problèmes de câblage que nous voyons dans les premiers ordinateurs quantiques d’aujourd’hui.
Spectrum : Les qubits chauds sont-ils structurellement les mêmes que les qubits de spin en silicium ordinaires ?
Clarke : Dans les qubits de spin en silicium, il y a plusieurs types de matériaux différents, certains sont ce que j’appellerais des qubits de type MOS en silicium – très similaires aux matériaux des transistors d’aujourd’hui. Dans d’autres qubits de spin en silicium, le silicium est enterré sous une couche de silicium-germanium. Nous appellerons cela un dispositif à canal enterré. Chacun a ses avantages et ses défis.
Nous avons fait beaucoup de travail avec TU Delft travaillant sur un certain type de système de matériaux, qui est un peu différent de ce que la plupart dans la communauté étudient opèrent le système à une température légèrement plus élevée.
J’ai aimé le travail de suprématie quantique. Je l’ai vraiment fait. C’est bon pour notre communauté. Mais c’est un problème artificiel, sur un système de force brute, où le câblage est un désordre (ou du moins complexe).
Ce que nous essayons de faire avec les qubits chauds et avec la puce Horse Ridge, c’est de nous mettre sur une voie de mise à l’échelle qui nous mènera à un ordinateur quantique utile qui changera votre vie ou la mienne. Nous appellerons cela la praticité quantique.
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Spectrum : Sur quoi pensez-vous que vous allez travailler ensuite le plus intensément ?
Clarke : En d’autres termes, « Qu’est-ce qui empêche Jim de dormir la nuit ? »
Il y a plusieurs choses. La première est le temps d’accès à l’information. Dans la plupart de la communauté, nous utilisons ces réfrigérateurs de dilution. Et la méthode standard est la suivante : Vous fabriquez une puce ; vous la mettez dans un réfrigérateur à dilution ; elle se refroidit pendant plusieurs jours ; vous l’expérimentez pendant plusieurs semaines ; puis vous la réchauffez et vous y mettez une autre puce.
Comparez cela à ce que nous faisons pour les transistors : Nous prenons une tranche de 300 millimètres, nous la plaçons sur une station de sondage, et après deux heures, nous avons des milliers et des milliers de points de données à travers la tranche qui nous disent quelque chose sur notre rendement, notre uniformité et notre performance.
Cela n’existe pas vraiment dans l’informatique quantique. Nous avons donc demandé : « Y a-t-il un moyen – à des températures légèrement plus élevées – de combiner une station de sonde avec un réfrigérateur à dilution ? » Au cours des deux dernières années, Intel a travaillé avec deux entreprises en Finlande pour développer ce que nous appelons le cryobroyeur. Et ce dernier vient juste d’être mis en ligne. Nous avons fait un travail impressionnant pour installer cette pièce massive d’équipement en l’absence totale d’ingénieurs de terrain de Finlande en raison du Coronavirus.
Ce que cela va faire, c’est accélérer notre temps d’accès à l’information par un facteur allant jusqu’à 10 000. Ainsi, au lieu de relier par fil un seul échantillon, de le mettre au réfrigérateur, de prendre une semaine pour l’étudier, ou même quelques jours, nous allons pouvoir mettre une plaquette de 300 millimètres dans cette unité et au cours d’une soirée, faire un pas et un scan. Nous allons donc obtenir une augmentation considérable du débit. Je dirais une amélioration de 100 fois. Mes ingénieurs diraient 10 000. Je vais leur laisser le défi de m’impressionner au-delà de 100.
Voici l’autre chose qui me tient éveillé la nuit. Avant de commencer le programme d’informatique quantique d’Intel, j’étais responsable de la recherche sur les interconnexions dans le groupe de recherche sur les composants d’Intel. (Il s’agit du câblage sur les puces.) Donc, je suis un peu moins préoccupé par le câblage entrant et sortant du réfrigérateur que je ne le suis simplement par le câblage sur la puce.
Je vais donner un exemple : Une puce de serveur Intel a probablement plus de 10 milliards de transistors sur une seule puce. Pourtant, le nombre de fils sortant de cette puce est de quelques milliers. Une puce d’informatique quantique a plus de fils qui en sortent qu’il n’y a de qubits. C’était certainement le cas pour les travaux de Google l’année dernière. C’était certainement le cas pour la puce Tangle Lake qu’Intel a fabriquée en 2018, et c’est le cas avec nos puces à qubits de spin que nous fabriquons maintenant.
Nous devons donc trouver un moyen de rendre les interconnexions plus élégantes. Nous ne pouvons pas avoir plus de fils sortant de la puce que nous avons de dispositifs sur la puce. C’est inefficace.
C’est quelque chose que la communauté informatique conventionnelle a découvert à la fin des années 1960 avec la règle de Rent . L’année dernière, nous avons publié un article avec l’université technique de Delft sur l’équivalent quantique de la règle de Rent. Et il parle, entre autres, de la puce de contrôle Horse Ridge, des qubits chauds et du multiplexage.
Nous devons trouver un moyen de multiplexer à basse température. Et cela sera difficile. Vous ne pouvez pas avoir un ordinateur quantique d’un million de qubits avec 2 millions de câbles coaxiaux sortant par le haut du réfrigérateur.
Spectrum : Est-ce que Horse Ridge ne fait pas du multiplexage ?
Clarke : Il fait du multiplexage. La deuxième génération en aura un peu plus. Le facteur de forme des fils est beaucoup plus petit, parce que nous pouvons le mettre plus près de la puce.
Donc si vous combinez en quelque sorte tout ce dont j’ai parlé. Si je vous donne un paquet qui a une puce de contrôle classique – appelez-la une future version de Horse Ridge – assise juste à côté et dans le même paquet qu’une puce quantique, les deux fonctionnant à une température similaire et faisant usage de très petits fils d’interconnexion et de multiplexage, ce serait la vision.
Spectrum : Qu’est-ce que cela va nécessiter ?
Clarke : Cela va nécessiter plusieurs choses. Cela va nécessiter des améliorations dans la température de fonctionnement de la puce de contrôle. Cela nécessitera probablement de nouvelles mises en œuvre de l’emballage afin d’éviter toute interférence thermique entre les deux puces. Il faudra probablement une capacité de refroidissement encore plus grande du réfrigérateur à dilution. Et il faudra probablement une certaine topologie de qubit qui facilite le multiplexage.
Spectrum : Compte tenu des défis techniques importants dont vous avez parlé ici, dans quelle mesure êtes-vous optimiste quant à l’avenir de l’informatique quantique ?
Clarke : Chez Intel, nous avons toujours maintenu que nous sommes en avance dans la course au quantique. Chaque changement majeur dans l’industrie des semi-conducteurs s’est produit à l’échelle de la décennie et je ne pense pas que le quantique sera différent. S’il est important de ne pas sous-estimer les défis techniques à relever, les promesses et le potentiel sont réels. Je suis ravi de voir et de participer aux progrès significatifs que nous réalisons, non seulement au sein d’Intel mais aussi dans l’ensemble du secteur. Un changement informatique de cette ampleur nécessitera que les leaders technologiques, les communautés de recherche scientifique, le monde universitaire et les décideurs politiques s’unissent pour faire avancer le domaine, et un travail énorme est déjà en cours sur ce front à travers l’écosystème quantique aujourd’hui.
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