Les principales catégories de matériel informatique quantique sont les suivantes : supraconducteur, à ions piégés, à atomes neutres, photonique, à spin sur silicium, à diamant et topologique. Bien que leurs conceptions spécifiques puissent être très différentes, le schéma fondamental reste en grande partie le même. De plus, l’optique et la photonique jouent un rôle crucial dans de nombreuses fonctions essentielles des différentes approches matérielles. Il s’agit notamment de la lecture, du refroidissement et du contrôle, de la connectivité modulaire et de l’intégration dans les centres de données.
Détecteurs de photons et d'images pour systèmes de lecture
De nombreuses méthodes de lecture de la solution d'un problème résolu par un ordinateur quantique utilisent des détecteurs de photons ou des images.
Paradoxalement, au sein même de l'informatique quantique photonique, la détection de photons uniques est souvent si sensible qu'on utilise des nanofils supraconducteurs. C'est pourquoi des efforts sont déployés pour intégrer des détecteurs de photons uniques à nanofils supraconducteurs (SNSPD) dans des circuits intégrés photoniques (PIC). De fait, PsiQuantum, l'un des leaders de l'informatique quantique photonique, a révélé que sa feuille de route inclut des recherches sur des SNSPD fonctionnant à plus haute température et basés sur des métaux industrialisables. À terme, cela représente une opportunité plus large pour obtenir des détecteurs de photons uniques plus précis pour la lecture en informatique quantique photonique, réduisant ainsi les compromis actuels en matière de refroidissement et d'encombrement pour ce sous-secteur. Ces innovations pourraient s'avérer cruciales pour concrétiser le potentiel de l'informatique quantique photonique à grande échelle et tolérante aux pannes, dont les « qubits chauds » visent à offrir une complexité d'infrastructure réduite par rapport à leurs concurrents supraconducteurs.
En revanche, la facilité d'utilisation des méthodes d'imagerie et de microscopie établies pour la lecture constitue un atout majeur des plateformes telles que le diamant, les atomes neutres et les ions piégés. Par exemple, Hamamatsu propose une gamme de tubes photomultiplicateurs (PMT) et de dispositifs à paires chargées à multiplication d'électrons (EM-CCD) disponibles dans le commerce, respectivement pour les plateformes d'ions piégés et d'atomes neutres. Parallèlement, la plateforme diamant développée par des acteurs comme Quantum Brilliance XeedQ pourrait utiliser des caméras CMOS (semi-conducteur métal-oxyde complémentaire) encore plus simples. La capacité de ces modalités à utiliser des méthodes d'imagerie établies pour la lecture pourrait, une fois de plus, s'avérer essentielle pour leur conférer un avantage en termes d'évolutivité par rapport à leurs concurrents. Ceci est d'autant plus vrai que, pour certaines autres modalités, la complexité du câblage liée à la lecture augmente avec le nombre de qubits, tandis que l'imagerie simultanée d'un ensemble entier de qubits est beaucoup plus efficace.
Contrôle et refroidissement laser
Saviez-vous que les lasers constituent également une alternative à la cryogénie pour le refroidissement des qubits ? Si, pour beaucoup, les lasers sont des faisceaux de haute puissance associés à la chaleur, à l’allumage, à la découpe ou aux communications, dans le monde de l’informatique quantique, ils sont surtout connus pour leur capacité à réduire les atomes à des états d’énergie très bas.
Les méthodes de refroidissement laser varient selon l'approche de l'informatique quantique et les préférences des entreprises impliquées, mais elles consistent toutes à piéger ou à confiner des atomes ou des ions à l'aide de plusieurs lasers tirant dans des directions opposées et avec une intensité égale. L'un des principaux avantages de cette approche est qu'elle peut être mise en œuvre avec des composants facilement disponibles et à température ambiante. Globalement, le refroidissement laser est considéré comme beaucoup plus économe en énergie, en coûts et en ressources que les cryostats nécessaires au supercalcul quantique.
Dans les ordinateurs quantiques, les lasers servent également au contrôle et à la manipulation des qubits, ainsi qu'à leur refroidissement. Cependant, certains indices laissent penser que le contrôle électrique et numérique pourrait s'avérer plus efficace en termes de fidélité du système (faibles erreurs) et d'évolutivité. L'entreprise britannique Oxford Ionics, pionnière dans le développement d'une méthode électronique de contrôle des qubits dans un système d'ions piégés, en est un exemple. Cette stratégie, ainsi que d'autres préconisant une lecture numérique, comme SEEQC, pourraient confirmer que, malgré les avantages que présentent la photonique et l'optique dans de nombreux cas, la volonté de rassembler un maximum de composants d'ordinateurs quantiques dans des boîtiers compatibles avec les fonderies de semi-conducteurs existantes demeure.
Connexions modulaires et intégration dans les centres de données
Alors que les développeurs d'ordinateurs quantiques continuent de se concentrer sur l'évolutivité, les appels se multiplient en faveur de la conception de systèmes modulaires et interconnectables, reproductibles. Les raisons de cette approche sont multiples. Elle rappelle, dans une certaine mesure, la manière dont l'évolutivité a été atteinte avec succès dans le domaine de l'informatique classique, et certains éléments indiquent également qu'elle s'inscrit dans les approches de pointe en matière de correction d'erreurs.
Cependant, l'approche modulaire présente l'inconvénient de rendre difficile l'établissement de connexions satisfaisantes entre les systèmes. Maintenir l'intrication entre qubits voisins sur une même puce est déjà complexe, et encore plus entre des ensembles de qubits répartis sur plusieurs systèmes (qu'il s'agisse de racks ou de cryostats).
Cependant, une fois de plus, la photonique offre une solution. NuQuantum a développé une unité de réseau quantique (QNU) qui utilise la photonique pour distribuer l'intrication entre plusieurs processeurs. L'entreprise vient également d'annoncer une interface photonique quantique (QPI), une technologie qui permettra à terme de créer une interface entre la matière et la lumière, les qubits et les photons. Des prototypes de cette unité de traitement quantique (QPU) ont déjà été intégrés et testés dans le système à vide à atomes piégés d'Infleqtion.
Perspectives du marché
Au-delà de la concurrence entre entreprises et modèles de qubits — ou de la course à la suprématie dans le domaine quantique —, il existe une opportunité sous-jacente dans tous les domaines de l'optique et de la photonique. Cela inclut les besoins en lecture, refroidissement, contrôle et connectivité présents dans presque toutes les approches actuellement explorées.
Mais au-delà des conceptions individuelles des ordinateurs quantiques de chaque entreprise, il est fondamental d'intégrer ces ordinateurs aux réseaux existants de centres de données, d'ordinateurs classiques et de réseaux de communication. Les photons constituent déjà le support de transmission de données privilégié à l'échelle mondiale, et pour que les ordinateurs quantiques connaissent un succès commercial, ils ne peuvent se passer d'une forme ou d'une autre de photonique.
Le marché de l'informatique quantique est sur le point d'accélérer de façon exponentielle la découverte de médicaments, le développement de la chimie des batteries, la logistique multivariable, l'autonomie des véhicules, la tarification précise des actifs et bien plus encore. S'appuyant sur une étude approfondie, combinant recherches primaires et secondaires, incluant des entretiens avec des entreprises et la participation à de nombreuses conférences, ce rapport propose une analyse détaillée des technologies d'informatique quantique concurrentes : supraconductrice, spin sur silicium, photonique, ionique piégée, atomique neutre, topologique, à défauts du diamant et recuite. IDTechEx présente également des scores indépendants de « préparation commerciale à l'informatique quantique » afin d'évaluer la progression de ce secteur par rapport à l'évolution de l'informatique classique qui l'a précédé. Le marché total potentiel de l'informatique quantique se traduit par des ventes de matériel au fil du temps, en tenant compte des progrès réalisés en matière de capacités et du modèle économique de l'accès au cloud. Le marché de l'informatique quantique devrait dépasser les 10 milliards de dollars d'ici 2045, avec un TCAC de 30 %.
Auteure : Dr Tess Skyrme, analyste technologique principale chez IDTechEx
