Les principales technologies de l'informatique quantique

Un qubit doit exister physiquement

Jusqu'ici, nous avons présenté le qubit comme une unité d'information. Mais dans une véritable machine, un qubit doit être incarné dans un système physique dont les propriétés quantiques peuvent être préparées, contrôlées et mesurées.

Il n'existe pas une seule manière de le construire. Des circuits électriques, des atomes, des ions, des photons ou encore des électrons peuvent servir de support à l'information quantique. Chaque approche cherche le même objectif : obtenir des qubits suffisamment stables, précis et nombreux pour exécuter des calculs complexes.

C'est aujourd'hui l'un des grands champs de recherche de l'informatique quantique : déterminer quelles architectures pourront passer de systèmes expérimentaux à des machines fiables et de grande taille.

Des circuits refroidis presque au zéro absolu

Les qubits supraconducteurs font partie des technologies les plus développées. Ils prennent la forme de minuscules circuits intégrés comportant notamment des Josephson junctions. Pour obtenir leur comportement quantique, ces circuits doivent être refroidis à quelques millièmes de degré au-dessus du zéro absolu.

Leur fabrication peut bénéficier de techniques issues de l'industrie des semi-conducteurs et leurs opérations sont commandées par des signaux micro-ondes très précis. IBM utilise notamment des transmon superconducting qubits dans ses processeurs.

Cette approche permet des opérations rapides et une intégration sur puce, mais impose une infrastructure cryogénique complexe et un contrôle très précis du bruit.

Utiliser directement des atomes

Avec les ions piégés, ce ne sont plus des circuits artificiels qui jouent le rôle de qubits, mais des atomes auxquels on a retiré ou ajouté un électron. Des champs électromagnétiques permettent de maintenir ces ions en suspension dans le vide, tandis que leurs états internes servent à stocker l'information.

Les ions constituent des systèmes naturellement très similaires les uns aux autres et peuvent être contrôlés avec une grande précision. Le défi consiste notamment à conserver cette qualité lorsque le nombre de qubits et la complexité du système augmentent.

Les atomes neutres reposent sur une idée voisine, mais sans charge électrique. Des optical tweezers maintiennent les atomes à des positions déterminées. Leur disposition peut être reconfigurée et leur excitation vers des états de Rydberg permet de créer les interactions nécessaires aux opérations quantiques. Des expériences ont déjà démontré des réseaux comprenant plusieurs milliers d'atomes, même si disposer d'un grand nombre d'atomes ne signifie pas automatiquement disposer d'un ordinateur quantique universel de même taille.

Calculer avec la lumière

Une autre approche consiste à utiliser des photons, les particules élémentaires de la lumière. Ils peuvent transporter de l'information quantique dans des fibres ou des circuits photoniques et sont naturellement adaptés à la transmission d'information entre différents composants.

La photonique présente aussi l'avantage de permettre certaines opérations à température ambiante. En revanche, construire une machine complète exige de générer, guider, faire interférer et détecter les photons avec une très grande précision, tout en limitant leurs pertes. Des travaux publiés en 2025 ont montré des composants photoniques intégrés fabriqués avec des procédés compatibles avec une production industrielle sur silicium.

Rapprocher quantique et semi-conducteurs

Les silicon spin qubits exploitent une propriété quantique de l'électron appelée spin. L'un de leurs principaux intérêts réside dans leur très petite taille et dans la possibilité d'utiliser des procédés proches de ceux déjà employés par l'industrie des semi-conducteurs.

En 2025, des chercheurs ont démontré des qubits de spin fabriqués dans un environnement industriel utilisant des wafers de 300 mm, avec des fidélités supérieures à 99 % pour les opérations étudiées. Ces résultats renforcent l'intérêt de cette voie pour une éventuelle fabrication à grande échelle, sans résoudre pour autant l'ensemble des difficultés liées au contrôle et à l'interconnexion de très nombreux qubits.

Une compétition de compromis

Aucune technologie ne réunit aujourd'hui toutes les caractéristiques idéales. Un bon qubit doit pouvoir conserver son état suffisamment longtemps, effectuer des opérations avec très peu d'erreurs, être contrôlé rapidement, communiquer avec d'autres qubits et être reproduit en très grand nombre.

Une architecture peut exceller sur certains critères et rencontrer davantage de difficultés sur d'autres. C'est pourquoi plusieurs technologies continuent d'être développées simultanément.

Le nombre de qubits ne suffit donc pas, à lui seul, pour comparer deux ordinateurs quantiques. La qualité des opérations, la connectivité, le taux d'erreur, la durée de cohérence et l'architecture globale du système sont tout aussi déterminants.