L’un des obstacles les plus persistants à l’informatique quantique pratique n’est pas un problème de conception de processeur ou d’algorithmes de correction d’erreurs, c’est le bruit magnétique microscopique généré par les atomes à l’intérieur de la puce elle-même. Le Département américain de l’Énergie (DOE) a annoncé ce mois-ci une percée qui s’attaque à ce bruit à sa source, en produisant des précurseurs de silicium et de germanium ultrapurs avec des niveaux de pureté isotopique qu’aucune alternative disponible dans le commerce ne peut égaler.
Cette réalisation, annoncée par le Bureau de la recherche et de la production isotopique du DOE le 20 juillet, est le fruit d’une collaboration entre l’Oak Ridge National Laboratory et le Pacific Northwest National Laboratory. L’ORNL a utilisé une séparation électromagnétique avancée des isotopes, une version modernisée de la technologie calutron de l’époque de la guerre froide qui a été déclassée en 1998, pour éliminer la quasi-totalité des isotopes générateurs de bruit magnétique à partir de matières premières de silicium et de germanium. Le silicium-28 obtenu a atteint une pureté de 99,9999 %, l’isotope problématique silicium-29 étant réduit à moins d’une partie par million.
Les produits à base de germanium ont obtenu des résultats similaires, l’isotope germanium-73 inducteur de bruit étant également réduit à moins d’une partie par million. Les deux matériaux sont au moins 100 fois plus purs que tout équivalent disponible dans le commerce dans le monde.
L’importance de cette avancée pour l’informatique quantique réside dans la manière dont les qubits maintiennent leur état. Le silicium naturel contient du silicium-29, un isotope dont le noyau possède un spin magnétique. Lorsqu’un qubit est intégré dans une puce de silicium contenant ne serait-ce que des traces de cet isotope, les fluctuations magnétiques qu’il produit provoquent la décohérence, la perte progressive de l’état quantique qui rend le calcul possible. Éliminez le silicium-29, et l’environnement de fonctionnement du qubit devient magnétiquement silencieux, lui permettant de maintenir la cohérence beaucoup plus longtemps.
Une étude de 2014 a démontré ce principe en montrant que les qubits de spin en silicium fabriqués à partir de silicium-28 hautement enrichi présentaient des temps de cohérence considérablement prolongés. Les nouveaux travaux du DOE rendent ce niveau d’enrichissement réalisable à une échelle significative grâce à une chaîne d’approvisionnement nationale.
Le défi technique ne s’est pas arrêté à la séparation isotopique. Une fois le matériau enrichi produit à l’ORNL, il a fallu le convertir en silane et en germane, les gaz spécialisés que l’industrie des semiconducteurs utilise pour déposer des films ultraminces de silicium et de germanium sur les puces. Cette étape de conversion a historiquement été une source de dilution isotopique, où un travail d’enrichissement minutieux est annulé par une contamination au cours du traitement chimique.
Le PNNL a développé de nouveaux systèmes de conversion chimique et de purification pour éviter cette dilution. Le laboratoire a également modernisé la technologie de séparation isotopique par diffusion thermique, permettant l’enrichissement direct des gaz silane et germane, une étape de traitement supplémentaire qui maintient la pureté isotopique jusqu’au produit final. Des systèmes de sécurité automatisés surveillent des centaines de variables de processus pour manipuler les gaz dangereux en toute sécurité.
L’intérêt du DOE s’étend au-delà de l’informatique quantique. Les mêmes méthodes d’enrichissement peuvent produire d’autres isotopes quantiques critiques, notamment le germanium-70, le germanium-76 et l’ytterbium-171, utilisés dans l’informatique quantique à ions piégés et les applications de mémoire quantique. Cette capacité plus large rétablit une capacité nationale d’enrichissement isotopique que les États-Unis ont perdue lorsque leurs calutrons de l’époque de la guerre froide ont été déclassés.
Le défi immédiat consiste à traduire cette réalisation à l’échelle du laboratoire en améliorations constantes des dispositifs quantiques commerciaux. Les chercheurs doivent encore démontrer que les puces fabriquées à partir de ces matériaux ultrapurs offrent des gains mesurables en temps de cohérence des qubits et en fidélité des portes à l’échelle. L’expansion de la production à des niveaux industriels nécessitera des investissements soutenus, et le DOE a indiqué que la prochaine phase de travaux se concentrera sur la simplification du processus de fabrication et la réduction supplémentaire des risques de contamination.
Sources : Silencing the Noise: DOE Unveils Breakthrough Domestic Silicon and Germanium Isotope Supply Chains (Département américain de l’Énergie, 20 juillet 2026) ; DOE Labs Achieve Major Breakthrough in Ultra-Pure Isotope Production (AZOQuantum, 20 juillet 2026) ; 99.9999% Pure: US Scientists Create Ultra-Clean Silicon for Next-Gen Quantum Chips (Interesting Engineering, 26 juillet 2026)
Traduit par Lydie