Développer l’électronique cryogénique pour améliorer l’informatique quantique et plus encore
L’électronique cryogénique est essentielle pour différentes applications scientifiques et technologiques, en particulier dans le domaine de l’informatique quantique. À mesure que la taille et la complexité des ordinateurs quantiques augmentent, la gestion de ces conditions cryogéniques s’apparente à un véritable défi. Chaque qubit nécessite son propre ensemble de lignes de contrôle et de lecture, qui peuvent générer de la chaleur et causer des interférences. Les qubits sortent alors de leur état quantique et compromettent la précision des opérations quantiques. Pour y remédier, une partie de l’électronique de contrôle et de lecture doit être placée à l’intérieur d’un cryostat, un conteneur qui maintient des températures extrêmement basses. Cette solution réduit le besoin de câbles conducteurs de chaleur, mais elle est limitée par la puissance de refroidissement du cryostat, qui ne peut évacuer qu’une certaine quantité de chaleur. Des mises en œuvre à faible consommation d’énergie sont donc nécessaires. Le projet de recherche SEQUENCE, financé par l’UE, a mis au point des transistors cryogéniques et des modèles de transistors qui réduisent considérablement les marges de conception pour le fonctionnement des circuits cryogéniques.
Une nouvelle génération d’électronique cryogénique
SEQUENCE a réalisé des progrès considérables dans la compréhension et la modélisation du comportement des transistors dans des conditions cryogéniques. «Les modèles de transistors avancés, qui décrivent avec précision la physique du fonctionnement des transistors dans des conditions cryogéniques, ont joué un rôle crucial dans la réduction de la consommation d’énergie dans les circuits clés. Il s’agit notamment d’amplificateurs à faible bruit et de leurs réseaux mis en œuvre dans la technologie des transistors III-V à haute mobilité électronique», explique Lars-Erik Wernersson, coordinateur du projet SEQUENCE. En outre, ces connaissances ont aidé l’équipe à caractériser les transistors en détail en recourant à la technologie «silicium sur isolant totalement déserté» FD-SOI («fully depleted silicon-on-insulator») de 28 nm. Ces transistors ont été utilisés dans des convertisseurs numériques-analogiques 18 bits très performants. L’équipe a également conçu de nouveaux dispositifs nanoélectroniques pour améliorer la transmission et la direction des signaux dans les dispositifs à haute fréquence fonctionnant à des températures extrêmement basses. Les chercheurs ont notamment utilisé des nanofils fabriqués à partir de semi-conducteurs III-V pour acheminer des signaux de radiofréquence à des températures cryogéniques. Leur mise en œuvre a permis de réduire le nombre de contacts ohmiques nécessaires, ce qui s’est traduit par une diminution de la perte de signal.
L’intégration 3D rapproche l’électronique des qubits
Le consortium a inclus l’intégration 3D dans le projet, estimant qu’il s’agissait d’une voie intéressante pour la mise à l’échelle des systèmes quantiques. «Les principaux avantages de cette technologie étaient l’étroite proximité entre l’état quantique et l’électronique de contrôle et de lecture, ainsi que la simplification de l’acheminement des signaux», explique Lars-Erik Wernersson. Cette étroite proximité favorise l’interaction directe de ces composants électroniques avec les qubits, en contrôlant leurs états et en lisant leurs réponses. L’équipe a développé sa première génération de circuits en recourant à la technologie des nanofils verticaux III-V. Cette étape a permis d’intégrer efficacement des transistors III-V sur des substrats en silicium et, dès lors, d’économiser des matériaux rares et d’utiliser de plus grands wafers, c’est-à-dire de fines tranches de semi-conducteur. À l’intérieur des nanofils, un certain type d’hétérostructure a facilité le fonctionnement subthermique du transistor en dessous de la tension de seuil, contribuant ainsi à l’efficacité énergétique du circuit. En examinant différentes options d’intégration 3D, l’équipe a également conçu une démonstration d’un circuit de polarisation dynamique programmable à 64 sorties, une réalisation qui offre une certaine souplesse dans le contrôle du circuit, ainsi qu’un niveau élevé de complexité et de programmabilité.
Au-delà de l’informatique quantique
«La technologie mise au point dans le cadre du projet SEQUENCE sera non seulement bénéfique pour le développement des technologies quantiques, mais aussi pour le secteur des semi-conducteurs, alors que les fabricants ont fait part de leur intérêt pour ce projet qui a permis de mieux comprendre le fonctionnement des transistors et d’affiner les modèles de transistors décrivant le comportement cryogénique», explique Lars-Erik Wernersson. Selon lui, la technologie de circuit démontrée peut également être appliquée à la technologie spatiale, où les températures varient entre 40 et 70 K. SEQUENCE a examiné des modèles de fonctionnement de circuit qui combinent des éléments des deux extrêmes (température ambiante et températures cryogéniques), élargissant ainsi les applications potentielles de la technologie. En outre, différentes caractéristiques de l’électronique cryogénique pour l’informatique quantique ont été découvertes et peuvent s’avérer utiles pour les technologies de communication et de radar.
Mots‑clés
SEQUENCE, électronique cryogénique, transistor, semi-conducteur, informatique quantique, systèmes de communication
