Saut quantique : première puce hybride quantique-photonique au monde

Avec des investissements en plein essor et des avancées technologiques qui se multiplient, la technologie quantique est plus proche que jamais de devenir une réalité. 

Selon McKinsey, les trois principaux piliers de la technologie quantique, à savoir l'informatique quantique, communication quantique et détection quantique, together pourriez générer autant 97 milliards de dollars de revenus dans le monde entier au cours de la prochaine décennie. 

La technologie traite de les principes de la mécanique quantique pour créer des produits innovants technologies qui dépassent les capacités des technologies classiques.

UN du système prometteur façons développer les technologies quantiques passe par la photonique. Cela est dû à sa compatibilité naturelle avec les interconnexions optiques pour la distribution de l'intrication, à sa robustesse à la décohérence à température ambiante et à sa capacité à être réduit à un format à l'échelle d'une puce..

La photonique est la science de la lumière (photons) et traite de la génération, de la détection et de la manipulation de la lumière pour diverses applications.

Pour les systèmes photoniques quantiques, la photonique sur silicium offre la plateforme la plus évolutive. être construit en utilisant les techniques de fabrication de semi-conducteurs développées dans l'industrie de la microélectronique à oxyde métallique complémentaire (CMOS), qui produit déjà des puces à grande échelle.

Alors que la photonique sur silicium pourrait bientôt être utilisés pour créer un grand nombre de qubits physiques, nécessaire pour réaliser un traitement utile de l'information quantique dans des dispositifs optiques miniaturisés pour générer et En manipulant les états quantiques de la lumière, la construction de ces circuits intégrés photoniques quantiques en silicium pose de sérieux défis.

Les problèmes sont liés à la diaphonie thermique, aux non-linéarités des porteurs libres et de l'auto-échauffement, ainsi qu'à la nécessité de gérer une sensibilité extrême à toute variation de température et de processus. 

Le problème est que pour que les dispositifs photoniques quantiques au silicium fonctionnent correctement, ils ont besoin d’une surveillance continue ainsi que d’un contrôle par des circuits électroniques. So, les composants électroniques volumineux hors puce ont déjà utilisé, qui aborde en partie les problèmes, mais qui Cela conduit également à renoncer à de nombreux avantages d’une plateforme à l’échelle de la puce. 

Afin de exploiter pleinement le potentiel de la photonique sur silicium en tant que plate-forme de traitement de l'information quantique, nous avoir à résoudre le goulot d’étranglement du contrôle classique.

Ainsi, une équipe interdisciplinaire de chercheurs a introduit un système quantique électronique-photonique sur puce. Il est fabriqué dans une fonderie commerciale de microélectronique CMOS 45 nm.

Ce est la première puce hybride au monde qui combine l'électronique, la photonique et l'énergie quantique. 

L'utilisation du CMOS rend la recherche d'autant plus louable. Cette technologie de semi-conducteur est la pierre angulaire de l'électronique moderne. Des entreprises comme Samsung, Sony, Intel et TSMC l'utilisent pour produire en masse des appareils électroniques.

Le nœud 45 nm, quant à lui, est éprouvé et rentable. Il est également compatible avec la vaste infrastructure de fabrication du silicium.

Leur approche de contrôle modulaire et entièrement intégrée, selon l'équipe, « ouvre la voie à la photonique quantique sur silicium pour atteindre l'échelle massive requise pour les futures générations de systèmes d'information quantique ».

La collaboration interdisciplinaire rapproche la technologie quantique de la réalité

La dernière étude, qui marque une majeur Une avancée majeure dans la technologie quantique a été réalisée par des chercheurs de l'UC Berkeley, de l'Université de Boston et de l'Université Northwestern.

« Le type de collaboration interdisciplinaire requis par ce travail est exactement ce qu'il faut pour faire passer les systèmes quantiques du laboratoire à des plateformes évolutives. Nous n'aurions pas pu y parvenir sans les efforts conjugués des domaines de l'électronique, de la photonique et de la mesure quantique. »

– Prem Kumar, professeur de génie électrique et informatique à Northwestern

La recherche a été soutenue par la National Science Foundation. Publié dans Nature Electronics, le l'étude détaille le système¹ qui a intégré avec succès des sources de lumière quantique et des composants électroniques de stabilisation sur une seule puce de silicium, fabriquée à l'aide du procédé semi-conducteur standard de 45 nm.

Cette combinaison c'est quoi permet à la puce de générer en permanence des flux de paires de photons corrélés, ce qui Ces la base de diverses applications quantiques.

Chaque puce de silicium dispose d'un ensemble d'« usines de lumière quantique », soit au total douze sources de lumière quantique indépendantes qui sont alimentés par la lumière laser. Elles utilisent également des résonateurs à micro-anneaux pour générer des paires de photons. Chacune de ces sources a une dimension inférieure à un millimètre dans chaque direction..

Ce marque une étape majeure vers le développement de systèmes quantiques plus complexes, composés de multiples puces interconnectées, et vers la production en série de puces « usines à lumière quantique ». Selon Miloš Popović, auteur principal de l'étude et professeur associé de génie électrique et informatique à l'Université de Boston :

L'informatique, la communication et la détection quantiques sont sur le point de passer du concept à la réalité, un chemin qui prend des décennies. Il s'agit d'un petit pas sur cette voie, mais un pas important, car il démontre que nous pouvons construire des systèmes quantiques reproductibles et contrôlables dans des fonderies de semi-conducteurs commerciales.

Actuellement, aux premiers stades de développement, la technologie quantique diffère des ordinateurs existants, qui utilisent des bits classiques qui sont soit zéro, soit un, en utilisant bits quantiques (qubits). 

Ces qubits peuvent exister dans une superposition des deux états à la fois, permettant aux ordinateurs quantiques d'effectuer des calculs en parallèle, à leur tour, conduisant à des accélérations massives. Ici, superposition is l'existence d'un système quantique à états multiples immediatement. 

Décrypter le code de l'évolutivité grâce à l'auto-réglage en temps réel

Maintenant, il existe différentes manières la technologie quantique peut être appliquée, et la photonique en fait partie, où un flux contrôlé de lumière, de photons uniques ou de paires de photons intriqués, est nécessaire pour remplir leur fonction. 

Ces flux constants de lumière quantique Sont générés en utilisant des dispositifs tels que des résonateurs à micro-anneaux et des points quantiques.

Les résonateurs Microring sont des dispositifs photoniques conçus avec précision qui permettent la génération d'états quantiques de lumière sur une puce. Ces éléments sont essentiels à la photonique sur silicium, car ils offrent un moyen très efficace de guider la lumière à l'échelle nanométrique. Ceci est réalisé par bouclage. la lumière dans un cercle pour atteindre une longueur d'onde ciblée (résonance).

Pour générer des flux de lumière quantique sous la forme de paires de photons corrélés, les résonateurs à micro-anneaux doivent être à l'écoute en synchronisation avec la lumière laser entrante alimentant chaque lumière quantique PERSONNEL sur la puce. It est également utilisé comme carburant pour le processus de génération.

Les résonateurs sont cependant très sensibles aux variations de température et de fabrication. Ce peut les désynchroniser et perturber la génération régulière de lumière quantique.

Pour prévenir le perturbation de la génération de lumière lorsque les résonateurs sont poussés désynchronisé, l'équipe a construit un système intégré qui stabilise activement les sources de lumière quantique sur puce, en particulier, les résonateurs générateur flux de photons corrélés. Ces sources lumineuses sont présentes dans chaque puce et fonctionnent en parallèle. 

« Ce qui me passionne le plus, c'est que nous avons intégré le contrôle directement sur la puce, stabilisant ainsi un processus quantique en temps réel. C'est une étape cruciale vers des systèmes quantiques évolutifs. »

– Anirudh Ramesh, doctorant à Northwestern qui a dirigé les mesures quantiques

Il est intéressant de noter que l'extrême sensibilité des résonateurs à micro-anneaux est à la base des sources de lumière quantique, la raison même pour laquelle des flux de lumière quantique peuvent être générés efficacement et dans une surface de puce minimale. Cependant, même de faibles variations de température peuvent avoir un impact significatif. le processus de génération de paires de photons. 

Pour surmonter ce problème, les chercheurs ont implanté un système de contrôle en temps réel directement sur la puce. Ils ont intégré des photodiodes à l'intérieur de chaque résonateur d'une manière spécifique, leur permettant de surveiller les performances, en particulier l'alignement avec le laser entrant, tout en préservant la génération de lumière quantique.

Parallèlement, des éléments chauffants miniatures et une logique de contrôle sur la puce ajustent en permanence la résonance en fonction de la dérive. Ainsi, même lorsque les conditions fluctuent, cette boucle de rétroaction intégrée maintient le processus de génération de lumière quantique, provoquant l'appareil pour se comporter de manière prévisible.

L'auto-réglage permet aux douze résonateurs de fonctionner ensemble en parfaite synchronisation, sans nécessiter d'équipement de stabilisation encombrant. Ce C'est un point essentiel, car il s'agit d'une condition essentielle à la mise à l'échelle des systèmes quantiques. Selon Imbert Wang, doctorant à l'Université de Boston et responsable de la conception du dispositif photonique :

« L'un des principaux défis par rapport à nos travaux précédents consistait à adapter la conception photonique aux exigences élevées de l'optique quantique tout en respectant les contraintes strictes d'une plateforme CMOS commerciale. Cela a permis de concevoir conjointement l'électronique et l'optique quantique au sein d'un système unifié. »

L'ensemble du système a été fabriqué sur une plateforme commerciale de puces CMOS 45 nm, développée grâce à une collaboration entre BU, UC Berkeley, GlobalFoundries et Ayar Labs. La startup Ayar Labs, spécialisée dans la création de technologies pour puces utilisant des impulsions lumineuses, a obtenu un financement de 155 millions de dollars auprès d'AMD Ventures, Intel Capital et Nvidia, pour une valorisation d'un milliard de dollars, ce qui « ouvre la voie à une production en série ».

Le processus de fabrication permet des interconnexions optiques avancées pour l'IA et le supercalcul, et maintenant systèmes photoniques quantiques complexes sur une plateforme silicium évolutive.

Notre objectif était de démontrer que des systèmes photoniques quantiques complexes peuvent être entièrement construits et stabilisés au sein d'une puce CMOS. Cela a nécessité une coordination étroite entre des domaines qui ne communiquent généralement pas entre eux.

- Daniel Kramnik, doctorant à l'UC Berkeley, qui a dirigé la conception, le packaging et l'intégration des puces

La dépendance de la puce à le techniques qui sont déjà utilisés signifie qu'il n'est pas nécessaire de créer de nouvelles configurations, à son tour, ouvrant la voie à une évolutivité l'informatique quantique.

Investir dans les systèmes quantiques 

Le monde de la technologie quantique progresse rapidement, se rapprochant chaque année de la réalité. Ici, International Business Machines (IBM ) est parmi ceux qui dirigent l'espace, notamment dans l'informatique quantique. Récemment, des chercheurs de IBM® et la startup quantique Pasqal a publié un papier blanc², dans lequel ils aménagé la définition de l'avantage quantique, comment les affirmations peuvent être validées scientifiquement, et les moyens d’y parvenir.

International Business Machines (IBM )

Ce mois-ci, IBM Quantum a même collaboré avec Moderna pour modéliser la structure de l'ARNm par simulation quantique. Pour cela, ils ont utilisé 80 qubits d'un processeur IBM Quantum Heron, qui a exécuté un algorithme spécialisé visant à « améliorer la santé humaine ».

« Nous pensons qu’il est essentiel d’explorer tous les outils disponibles, y compris l’informatique quantique, pour accélérer nos progrès aujourd’hui, plutôt que d’attendre que la technologie atteigne sa pleine maturité dans le futur. »

– Alexey Galda, directeur scientifique associé de Moderna pour les algorithmes et applications quantiques

Le mois dernier, IBM a également fait une big annonce de la construction du premier ordinateur quantique à grande échelle au monde qui elle prévoit de livrer ses clients en 2029. 

L'ordinateur quantique tolérant aux pannes appelé IBM Starling sera 20,000 XNUMX fois plus puissant que les ordinateurs quantiques existants et « nécessiterait la mémoire de plus d'un quindécillion des supercalculateurs les plus puissants du monde ».

Selon la feuille de route de l'entreprise, l'arrivée de Starling pourra suivre plusieurs étapes importantes, y compris la première démonstration de « l'avantage quantique » l'année prochaine, où les ordinateurs quantiques va commencer à surpasser ordinateurs classiques dans les applications informatiques pratiques.

Mais avant cela, IBM Quantum Loon vont fera ses débuts plus tard cette année avec sa puce Nighthawk. Et l'année prochaine, IBM Quantum Kookaburra suivra qui, doté du premier processeur modulaire de la société pour stocker et traiter des informations codées. Ensuite, IBM Quantum Cockatoo va être déployé l'année suivante, dont l'architecture « reliera les puces quantiques entre elles comme des nœuds dans un système plus vaste, évitant ainsi la nécessité de construire des puces trop grandes pour être pratiques ».

Ces sorties conduiront finalement au lancement de Starling avant le la décennie est terminéeCette innovation espère exécuter « 100 millions d’opérations quantiques en utilisant 200 qubits logiques ».

Avec Starling, IBM vise à résoudre défis du monde réel, quelque chose la technologie quantique n’a pas encore atteint son objectif. Selon son PDG, Arvind Krishna, leur ordinateur quantique « ouvrira également d’immenses possibilités pour les entreprises ».

Selon sa feuille de route, les objectifs d’IBM en matière d’informatique quantique s’étendent au-delà de Starling. Blue Jay sera l'ISA de calcul quantique tolérant aux pannes de deuxième génération, dont l'arrivée n'est pas prévue avant 2033. ensuite, la plateforme informatique pourra évoluer jusqu'à 1 milliard de portes et 2,000 XNUMX qubits logiques. 

Concernant la performance boursière d'IBM, société mondiale de cloud hybride, d'IA et de conseil, dont la capitalisation boursière est de 262 milliards de dollars, ses actions se négocient actuellement au-dessus de 265 dollars, en hausse de 28.29 % depuis le début de l'année. La société verse un rendement de dividende de 2.38 %.

Plus récemment, la société a publié ses résultats du deuxième trimestre 2, qui ont montré une augmentation de 2025 % du chiffre d'affaires à 8 milliards de dollars, 17 milliards de dollars de trésorerie nette provenant des activités d'exploitation et un flux de trésorerie disponible de 6.1 milliards de dollars.

« Nous avons une fois de plus dépassé les attentes en termes de chiffre d’affaires, de bénéfices et de flux de trésorerie disponibles au cours du trimestre. IBM reste très différencié sur le marché en raison de notre profonde innovation et notre expertise du domaine, toutes deux essentielles pour aider les clients à déployer et à faire évoluer l'IA. Notre portefeuille d’activités en matière d’IA générative continue de s’accélérer et s’élève désormais à plus de 7.5 milliards de dollars. »

– PDG Krishna

Actualités International Business Machines (IBM) Actualités et développements boursiers

Conclusion

La technologie quantique progresse rapidement, faire son chemin d'un concept à une industrie évolutive, portée par des avancées technologiques comme puces hybrides quantiques-électroniques-photoniques. 

En intégrant des sources de lumière quantique, une électronique stabilisatrice et une fabrication évolutive dans une seule puce, l'étude a de manière optimale créée a plan pour l'avenir quantique. Et comme systèmes photoniques quantiques faire des progrès, les dernières puces hybrides pourraient devenir la base des technologies comme détection avancée, réseaux de communication sécurisés et informatique quantique.

Alors qu'IBM construit des processeurs quantiques massifs, les temps sont certainement passionnants, et la prochaine décennie semble être le moment idéal pour marquer le moment où l'informatique quantique aura enfin un impact réel sur le monde réel.

Cliquez ici pour obtenir une liste des principales entreprises d’informatique quantique de 2025.

Références:

1. Kramnik, D.; Wang, I.; Ramesh, A.; Ghorbani, M.; Patel, V.; Lin, Y.; Choi, H.; Liu, Q.; Das, R.; Jensen, T.; Nakamura, S.; Lee, J.; Bowers, JE; Faraon, A.; Englund, D.; Painter, O.; Vučković, J. Stabilisation par rétroaction évolutive de sources de lumière quantique sur une puce CMOS. Electronique Nature, 8, (2025). Publié en ligne le 14 juillet 2025. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01410-5
2. Voies, O. ; Béji, M. ; Corcoles, AD; Dalyac, C. ; Gambetta, JM; Henriet, L. ; Javadi-Abhari, A. ; Kandala, A. ; Mezzacapo, A. ; Porter, C. ; Sheldon, S. ; Watrous, J. ; Zoufal, C. ; Dauphin, A. ; Peropadre, B. Un cadre pour l'avantage quantique. Préimpression arXiv arXiv:2506.20658v2 [quant-ph] (2025). Publié en ligne le 14 juillet 2025. https://doi.org/10.48550/arXiv.2506.20658