Comment Intel compte gagner la bataille de l'ordinateur quantique

Les progrès dans le domaine de l'informatique quantique ont été nombreux ces dernières années. L'avènement d'une machine commerciale réellement transformatrice semble pourtant encore diffus. L'un des acteurs les plus discrets du secteur, le fondeur américain Intel, table sur 2030. Et compte bien sortir le vainqueur de cette course qu'il voit comme un marathon et pas un sprint. Tour d'horizon avec James Clarke, directeur du matériel quantique chez Intel.

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Comment Intel compte gagner la bataille de l'ordinateur quantique
James Clarke tenant une galette de silicium devant une chambre de refroidissement.

Intel a été plus discret que d'autres comme IBM ou Google en matière d'informatique quantique, mais le pionnier du circuit logique n'est pas resté sans rien faire pour autant. Il a enchaîné les annonces cette année, et L'Usine Digitale a fait le point sur sa vision et ses avancées avec Jim Clarke, director of Quantum Hardware. Chimiste de formation, il est à ce poste chez Intel depuis 2015.

Privilégier le silicium

Intel se focalise sur le qubit à spin d’électron sur silicium. "C'est un qubit qui ressemble beaucoup à un transistor, qui fait la même taille, et qui est constitué d'un électron où les valeurs 0 et 1 sont encodées dans le spin [ndlr: l'une des propriétés quantiques intrinsèques de la particule]", détaille James Clarke. Il utilise le même procédé de fabrication EUV (Extreme Ultra Violet) que pour ses puces conventionnelles.

Pourquoi ce choix ? "Parce que nous livrons plus d'un milliard de milliards de transistors chaque année. Si nous parvenons à transposer cette technologie au domaine quantique, nous pourrons réellement faire progresser les choses." Ces recherches ont d'ailleurs lieu dans une énorme usine basée à Hillsboro (Oregon), dans laquelle le fondeur fabrique ses processeurs les plus avancés technologiquement. L'entreprise a annoncé en octobre être parvenue à produire une galette de 300 millimètres de diamètre contenant 10 000 groupes de boîtes quantiques ("quantum dots").

Rien ne sert de courir

Certains pourraient être tentés de balayer ces efforts de la main, alors qu'IBM ou Pasqal comptent passer le cap des 1000 qubits dès 2023. Ce serait une erreur. "Les qubits à spin d'électron sont en retard par rapport aux qubits supraconducteurs, car ces derniers existent depuis plus longtemps, et les qubits à spin d'électron requièrent des capacités de fabrication avancées, reconnaît Jim Clarke. Je ne serais pas surpris si les prochaines étapes majeures sont atteintes par une entreprise travaillant sur la supraconduction."

Mais si Intel reste confiant, c'est parce que la principale difficulté se trouve dans le passage à l'échelle. "Notre qubit est un million de fois plus petit qu'un qubit supraconducteur comme celui d'IBM. Et il faudra probablement avoir un million de qubits pour pouvoir obtenir des résultats vraiment remarquables. Donc il est encore très tôt en vérité. Les systèmes actuels sont très limités. Je pense qu'au bout du compte, Intel arrivera en tête."

La qualité des qubits est aussi déterminante. Avoir la cohérence la plus longue et le moins d'erreurs possible est obligatoire pour espérer produire les résultats qui sont attendus d'un ordinateur quantique. "En 2018 il y avait beaucoup d'entreprises qui pensaient qu'elles résoudraient des problèmes de grande taille cinq ans plus tard, rappelle James Clarke. Mais les qubits ne sont pas d'assez bonne qualité et les applications n'existent pas encore." On se souvient notamment des déclarations fracassantes de Microsoft à l'époque. L'entreprise de Redmond, dont l'approche est unique dans l'industrie, s'est faite très discrète depuis.

"Les qubits à spin d'électron sont aussi qualitatifs que les qubits supraconducteurs, mais cela ne suffit pas, poursuit James Clarke. Il faut encore les améliorer." Sans surprise, cela fait partie des efforts d'Intel.

Tirer parti de son savoir-faire

Outre les qubits eux-mêmes, le fondeur a développé les technologies attenantes. "Nous avons besoin de tester la galette de silicium toute entière, car cela nous permet d'en sélectionner les meilleurs éléments, mais aussi d'améliorer le processus de fabrication. Nous avons pour cela développé un outil ad-hoc baptisé Cryoprober, qui peut refroidir une galette à 1 Kelvin en une heure, tandis que cela prend plusieurs jours avec les équipements standards. C'est un avantage décisif sur nos compétiteurs en matière de caractérisation", explique James Clarke.

C'est la même approche de contrôle industriel statistique qu'Intel utilise pour sa fabrication de puces classiques. L'espoir est qu'elle va permettre des progrès rapides pour surpasser la concurrence. En parallèle, Intel cherche à utiliser un isotope de silicium plus stable, le silicium 28, qui aiderait à garantir une meilleure cohérence des qubits.

Le fondeur s'est aussi attaché à minimiser le nombre de câbles qui passent à travers la chambre de refroidissement.
"Avoir un câble par qubit n'est pas réaliste si vous avez un million de qubits. Il faut être beaucoup plus efficace du point de vue du câblage et du contrôle de la machine, expose le directeur d'Intel. Nous utilisons nos FPGA pour refroidir les salles à très basse températures, et nous avons modifié le procédé de fabrication Intel 16 pour qu'il fonctionne à 4 Kelvin." La puce en résultant, nommée Horseridge II, permet de contrôler les appareils quantiques au plus près de la machine.

En tant que spécialiste du calcul classique, Intel est aussi bien placé pour gérer l'interaction entre la machine quantique et le superordinateur qui sera posé à côté d'elle pour servir d'interface. "Nous comptons fournir le système dans son ensemble. D'ailleurs, si vous réfléchissez en termes de nomenclature de fabrication, l'ordinateur classique coûtera probablement plus cher !"

Développer la partie logicielle et défricher les cas d'usage

Ces efforts sont complétés par une stratégie "full stack" qui intègre évidemment le software : "Nous développons toute la partie logicielle aussi : compilateur, environnement d'exécution, interaction avec le processeur classique... Et nous avons annoncé un SDK en octobre qui permet aux développeurs de faire de la simulation", indique James Clarke. Quant à la mise au point d'algorithmes, le problème est qu'aucune machine ne permet encore aujourd'hui de vraiment vérifier leur efficacité. "La barre des 1000 qubits logiques permettra de le déterminer pour des applications dans la chimie ou l'analyse financière."

Intel a surtout des partenariats et utilisateurs dans le milieu académiques pour le moment. Questionné sur un éventuel partenariat avec Siquance, spin-off du CEA Leti (dont Intel est partenaire dans la microélectronique classique) et du CNRS, James Clarke répond que "notre approche est un peu différente de la leur, mais si les circonstances le permettaient nous pourrions collaborer."

Horizon 2030

L'éternelle question quand on parle d'informatique quantique est de savoir à quelle échéance faut-il attendre les premiers ordinateurs commerciaux qui fassent la différence. "2030 me semble un horizon raisonnable, répond James Clarke. Il aura fallu près de 30 ans entre le premier transistor créé en 1947 et l'arrivée des circuits intégrés dans les années 1970. Nous travaillons sur l'informatique quantique depuis un peu moins longtemps, mais c'est le même principe. Chez Intel, chaque procédé de fabrication reçoit au moins 10 années de recherches. Ce sont des échelles de temps auxquelles nous sommes habitués."

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