À mesure que la technologie quantique évolue, la volonté de rendre l'architecture physique plus efficace et commercialement réalisable s'accélère. À l'heure actuelle, de nombreux progrès ont été réalisés sur le plan des logiciels, mais l'architecture physique met beaucoup de temps à atteindre le stade de la commercialisation, de sorte que nous ne verrons pas son utilisation dans nos ordinateurs de sitôt.

Un certain nombre de méthodes sont actuellement testées pour l'infrastructure physique. L'intrication des photons est celle qui suscite le plus d'attention. L'utilisation de matériaux semiconducteurs pour l'intrication et le transport des bits quantiques (qubits) dans les technologies de l'informatique quantique présente un intérêt certain. Toutefois, les photons ne sont pas le seul moyen de créer et d'emmêler des qubits : les électrons et les atomes polarisés peuvent également être utilisés. Au-delà des infrastructures photoniques semi-conductrices, les concepteurs créent des qubits à base d'électrons et transportent les données qu'ils contiennent via des circuits supraconducteurs.

Que sont les circuits supraconducteurs ?

Les circuits supraconducteurs sont un type particulier de circuit électrique dont la résistance électrique est nulle. Les matériaux supraconducteurs affichent une résistance électrique nulle, en raison du chevauchement des bandes de valence et de conduction dans l'orbite électronique des matériaux supraconducteurs, et cette conduction électronique sans frottement peut être exploitée dans des circuits.

Les matériaux supraconducteurs

Les matériaux supraconducteurs constituent, avec les semiconducteurs, l'une des principales architectures pour les ordinateurs quantiques. La présence de la supraconductivité dans ces circuits est une propriété essentielle à l'échelle macroscopique qui est provoquée en raison des composants matériels individuels dans le circuit. Les matériaux supraconducteurs présentent des effets quantiques spécifiques à l'échelle nanométrique qui se combinent pour créer un circuit dans lequel un courant électrique peut circuler sans aucune résistance électrique.

Au niveau fondamental, les matériaux supraconducteurs fonctionnent de cette façon en raison des interactions subatomiques dans le matériau. À ce niveau, les porteurs de charge forment un état quantique unique, appelé puits quantique (ou puits de potentiel). À l'intérieur de ces puits quantiques, les électrons deviennent physiquement confinés. Cependant, même si les électrons sont confinés physiquement, ils ne sont pas nécessairement confinés électroniquement.

Si chaque puits quantique est isolé de tout autre puits quantique, il sera électroniquement confiné. Cependant, les électrons peuvent traverser des obstacles par effet tunnel. Ainsi, même s'ils sont physiquement en un seul endroit, leur fonction d'onde peut s'étendre au-delà de leur portée physique et en dehors du puits quantique. Si vous avez des puits quantiques situés à proximité les uns des autres, les fonctions d'onde de chaque électron confiné peuvent se chevaucher et se relier les unes aux autres. Lorsque les électrons à l'intérieur des puits quantiques se connectent, il est possible de faire circuler un courant électronique entre eux sans aucune résistance, car il n'y a pas de résistance électrique entre les états quantiques. Il s'agit d'un courant supraconducteur qui peut être utilisé comme un élément mécanique fondamental pour les circuits supraconducteurs.

Bien que les propriétés de ces circuits soient bénéfiques, il n'y a que certains matériaux qui présentent ces caractéristiques, et il y a encore moins de matériaux qui peuvent diriger le courant supraconducteur d'une manière plus contrôlée. Pour cette raison, les nanofils sont devenus l'une des options les plus prometteuses pour les circuits supraconducteurs.

Les nanofils étant un matériau unidimensionnel (1D), les électrons sont confinés de manière quantique dans deux dimensions spatiales. Cela signifie qu'il existe une dimension spatiale dans laquelle les électrons peuvent passer, par effet tunnel, à travers une barrière qui permet au courant de circuler dans une direction, un peu comme un circuit classique. Pour être efficace et fonctionnelle comme les circuits classiques, cette supraconductivité doit être exploitée et contrôlée : c'est là que différents composants quantiques entrent en jeu et que des circuits supraconducteurs fonctionnels peuvent être créés.

Création de circuits supraconducteurs

Les circuits supraconducteurs sont considérés comme une option à faible consommation d'énergie pour le transport de qubits supraconducteurs dans les canaux quantiques et comme l'un des éléments de base potentiels des technologies. En termes d'architecture et de configuration de base, les circuits à semiconducteurs sont similaires aux circuits classiques et nécessitent encore de nombreux composants semblables à ces configurations classiques, y compris des sources d'énergie, des commutateurs, des portes, une mémoire quantique, des lecteurs, etc., qui peuvent être construits comme des circuits intégrés et former des puces supraconductrices qui pourraient alimenter des opérations quantiques. La principale différence entre ces deux types de circuit réside dans le fait que ces composants doivent être capables de traiter, transmettre et communiquer des qubits plutôt que des bits classiques.

Au-delà des différents composants, plusieurs types de qubits supraconducteurs qui ont été réalisés peuvent être utilisés pour créer des circuits supraconducteurs. Il s'agit de qubits de phase, de charge et de flux, et des systèmes sont en cours de construction qui comprennent à la fois un et plusieurs systèmes de qubits. Ces circuits en sont encore à leurs balbutiements, mais de nouveaux moyens sont mis au point pour contrôler et manipuler ces circuits afin qu'ils puissent stocker et transférer des données. Un éventail de champs magnétiques, de champs électriques et d'injections d'électrons à haute énergie tentent tous d'atteindre cet objectif afin que les puces supraconductrices puissent fonctionner de façon comparable aux configurations classiques.

De nombreux composants des circuits supraconducteurs ressemblent aux effets de leurs homologues classiques et tentent de les reproduire, mais avec la capacité d'exécuter des algorithmes quantiques, par exemple, des commutateurs. L'une des caractéristiques des circuits quantiques supraconducteurs est l'utilisation de jonctions Josephson, qui ne sont pas présentes dans les circuits conducteurs normaux. Les jonctions Josephson sont une connexion faible (constituée d'un isolant) entre deux fils supraconducteurs, où les électrons peuvent passer d'un fil à l'autre par effet tunnel. La jonction Josephson permet aux fonctions d'onde de chaque côté de devenir continues et empêche tout courant de dépasser le courant critique. C'est pourquoi les jonctions Josephson sont importantes dans de nombreuses conceptions de puces supraconductrices ainsi que dans les différents composants quantiques.

Avantages et inconvénients des circuits supraconducteurs

Chaque type d'architecture théorisée pour les technologies quantiques présente ses propres avantages et inconvénients. Il s'agit notamment des systèmes photoniques, dont on parle beaucoup, ainsi que des circuits supraconducteurs. Au fur et à mesure que chaque technologie se développe, les différents avantages et inconvénients évoluent en fonction des nouveaux développements et défis qui se présentent, de sorte qu'il est peu probable que ce soit un sujet de discussion statique.

À l'heure actuelle, l'utilisation de circuits à semiconducteurs en tant qu'éléments de base des technologies quantiques présente un certain nombre d'avantages. Un de ces avantages concerne les qubits, car cette méthode d'intrication peut produire des qubits fortement couplés, et des systèmes à qubits unique et à plusieurs qubits peuvent être générés. En outre, le potentiel des qubits supraconducteurs peut être contrôlé et la nature des qubits simples peut être utilisée pour créer un ensemble « universel » de portes quantiques.

En ce qui concerne les inconvénients, le courant qui traverse une jonction Josephson a tendance à être très faible et peut être sujet au bruit. Il reste donc encore beaucoup à faire pour réduire les niveaux sonores, ce qui est important pour les circuits à semiconducteurs. L'autre inconvénient des circuits supraconducteurs est que leur cohérence est limitée par des défauts dans les barrières tunnel de la jonction Josephson et que la fabrication du dispositif peut influencer les paramètres du qubit. Ainsi, il faut prendre soin avec la fabrication de s'assurer que les paramètres de qubit ne varient pas trop.

L'un des principaux avantages de ces systèmes en tant que circuit complet est que les scientifiques et les ingénieurs les fabriquent sur des puces comme les ordinateurs classiques. Il existe donc un potentiel d'évolutivité pour ces puces. Cependant, il reste encore du travail à accomplir avec ces puces supraconductrices pour contrôler et interconnecter les composants sans avoir besoin d'ajouter des couches supplémentaires à la puce (les rendant plus encombrantes). Ainsi, bien que cela peut être considéré comme un avantage, c'est un avantage potentiel pour l'avenir une fois que certains problèmes d'intégration de la puce seront résolus.

Conclusion

Ce n'est un secret pour personne que les circuits supraconducteurs, et d'autres architectures quantiques d'ailleurs, sont encore loin d'être commercialement réalisables pour l'informatique quantique. Toutefois, si l'on considère l'évolution des systèmes informatiques classiques au cours des deux ou trois dernières décennies, il n'est pas déraisonnable de penser que les ordinateurs quantiques de base sont à nos portes - surtout compte tenu de la quantité de travail qu'ils nécessitent - et que dans deux ou trois décennies de plus, nous pourrions disposer d'ordinateurs quantiques très performants.

Les circuits supraconducteurs offrent la possibilité de faciliter les qubits supraconducteurs (à partir d'électrons) dans les canaux quantiques et présentent différents avantages et défis par rapport aux architectures à base de photons. Dans les années à venir, il sera intéressant de voir laquelle de ces deux architectures de pointe s'imposera. Verrons-nous des systèmes quantiques où les deux architectures sont utilisées, ou bien quelque chose d'autre se matérialisera-t-il en cours de route ?