Le programme Q-Loop porte l’ambition d’identifier les moyens de passage à l’échelle des chaines de contrôle et lecture des qubits à l’état solide. Il est complémentaire des autres programmes de la stratégie nationale quantique.
La capacité à adresser un grand nombre de qubits est nécessaire à l’avènement du calcul quantique tolérant aux fautes (FTQC) pour en ouvrir l’usage à de nombreux domaines applicatifs.
Q-Loop s’appuie notamment sur les approches d’intégration déjà mise en œuvre par la microélectronique à l’échelle industrielle, en les adaptant au contexte et contraintes apportés par le calcul quantique et notamment le fonctionnement à température cryogénique.
Porté par l’institut de recherche technologique Nanoelec, le programme démarrera en septembre 2024 pour une durée de six ans et représente un effort de R&D de 65 M€, dont 40M€ d’investissement France 2030.
Il repose sur un partenariat public-privé qui rassemble des grands opérateurs de recherche nationaux, un pôle de compétitivité, des industriels de la microélectronique, ainsi que des acteurs émergeants du quantique.
Les enjeux de passage à l’échelle des calculateurs quantique
La gestion dynamique de la correction d’erreur quantique (ou QEC) est une des clés du passage de la puce à l’ordinateur quantique.
Il est établi que l’ordinateur quantique universel pourra résoudre des problèmes de complexité que ne peut résoudre l’ordinateur classique.
Toutefois, dans la pratique, pour résoudre de tels problèmes et les appliquer aux enjeux sociétaux, il faut disposer d’un grand nombre de qubits.
Il est également nécessaire de disposer de qubits de grande qualité afin que le résultat du calcul ne soit pas caché dans le bruit cumulé au fur et à mesure des opérations réalisées par des portes quantiques.
Pour cela, l’amélioration de la qualité des qubits doit être complétée par une correction d’erreur quantique (ou QEC) qui consiste à encoder un « qubit logique » beaucoup moins sujet aux erreurs, sur un grand nombre de qubits physiques garantissant une redondance de l’information.
Cette approche permet de réduire exponentiellement les taux d’erreur mais peut nécessiter jusqu’à 10 000 qubits physiques pour former un qubit logique et asurer un calcul tolérant aux fautes.
Au-delà de la quantité de qubits, la QEC a également un impact majeur sur l’architecture des ordinateurs FTQC.
En effet sa mise en œuvre repose sur la capacité à lire des qubits dits ancillaires après chaque étape de calcul. L’analyse de ces derniers, dans une étape de décodage de syndrome permet d’identifier les éventuelles erreurs et de rétroagir sur le système pour les compenser.
Typiquement, il faut lire environ la moitié des qubits à chaque cycle d’exécution. Cela a un impact majeur sur les besoins d’électronique de lecture et d’amplification et de décodage. Cela se traduit par des exigences fortes en terme de bande passante et de temps de latence entre les qubits eux-même (à température cryogénique) et l’électronique de décodage (en environnement tempéré) distante en raison de la puissance qu’elle dissipe.
Q-Loop vise donc à revoir en profondeur les chaines de contrôle et de lecture, en cherchant à mutualiser les signaux au sein d’un même canal, en densifiant l’intégration physique pour augmenter leur nombre, tout en étudiant les moyens de découpler thermiquement les qubits du reste de la chaine.