Nouvelle Architecture de Spins Nucléaires pour l'Information Quantique – NASNIQ

La physique quantique permet de réaliser des ordinateurs dont la puissance de calcul dépasse celle des machines classiques quel que soit leur progrès à venir. Cette découverte récente mobilise un important effort de recherche pour réaliser des processeurs quantiques. Les réalisations les plus avancées sont obtenues aujourd’hui avec des ions piégés et des circuits supraconducteurs, et sur ces bases, des exemples très élémentaires d’algorithmes quantiques ont été démontrés. Le groupe Quantronique du CEA-Paris-Saclay, sous la responsabilité du porteur du projet Daniel Estève, joue un rôle moteur dans cette recherche depuis ses débuts dans le domaine des circuits supraconducteurs.
Malgré les défis non-résolus que posent à la fois le maintien de la cohérence quantique durant le fonctionnement d’un processeur quantique et leur montée en taille, des acteurs importants du traitement de l’information, comme IBM, Microsoft, Intel ou Google ont développé depuis quelques années une recherche propre et misé sur des partenariats académiques forts pour anticiper une éventuelle rupture quantique dans leurs métiers.
Atos, société leader dans le calcul intensif, se positionne de même activement sur l’ordinateur quantique. Depuis 2016, ses équipes travaillent aux développements d’un software quantique et d’un émulateur d’ordinateur quantique avec une machine FPGA puissante. Par ailleurs, Atos a déjà amorcé une collaboration avec le groupe Quantronique en finançant une première bourse CIFRE qui devrait démarrer prochainement sur la détection d’un nouveau type de bit quantique.
Le programme de travail proposé pour cette chaire industrielle vise tout d’abord à fournir à Atos la veille scientifique de haut niveau qu’un groupe leader dans le domaine des bits quantiques, le groupe Quantronique du porteur, très bien connecté au niveau mondial, peut lui fournir.
Un second objectif est de fournir à Atos des modèles numériques des phénomènes physiques en jeu dans les différents types de bit quantique afin d’en permettre la simulation efficace avec l’émulateur développé par Atos. Cette analyse sera bien sûr fournie en grand détail pour tous les bits quantiques développés dans des laboratoires du CEA.
L’objectif de recherche soutenu par Atos et la chaire est de développer de nouveaux types de bits quantiques plus robustes en termes de cohérence quantique que les bits quantiques supraconducteurs. Compte tenu de leurs limitations, Il n’existe en effet pas à ce jour d’architecture fonctionnelle d’ordinateur quantique supraconducteur pour résoudre le problème de la correction d’erreur quantique quand on monte en taille. La seule disponible, dite des codes de surface, exige une multiplication prohibitive du nombre de bits quantiques physiques qui la rend peu réaliste. Afin de lever ces verrous, le groupe Quantronique propose, comme porteur de l’information quantique, des spins nucléaires pour lesquels la correction d’erreur quantique serait un problème moindre. Quand ces spins nucléaires sont couplés à des spins électroniques par interaction hyperfine, et que ces spins électroniques sont couplés à des résonateurs supraconducteurs qui transmettent des photons micro-ondes que l’on sait détecter, la combinaison de ces systèmes quantiques ouvre une nouvelle route en information quantique pour laquelle l’équipe Quantronique a déjà obtenu des résultats préliminaires encourageants, et dont le potentiel est de grand intérêt pour Atos.
Le montage de cette chaire permettra aussi de placer Atos en prise directe avec la capacité de fabrication du CEA dans le cas d’un développement industriel qui exploiterait les techniques de fabrication de la micro-électronique.