Un ordinateur quantique repose sur la manipulation d’objets physiques microscopiques, maintenus dans des conditions extrêmes, pour effectuer des calculs impossibles à réaliser avec des processeurs classiques. Sa fabrication mobilise des compétences en physique des matériaux, en cryogénie et en nano-fabrication, bien loin d’une chaîne d’assemblage électronique traditionnelle.
Le qubit, brique élémentaire de l’ordinateur quantique
Un processeur classique traite des bits, chacun valant 0 ou 1. Le qubit, lui, exploite le principe de superposition quantique : il peut se trouver simultanément dans une combinaison des états 0 et 1 jusqu’au moment de la mesure.
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Cette propriété ne suffit pas à elle seule. Les qubits doivent aussi être intriqués entre eux, c’est-à-dire liés de façon à ce que l’état de l’un influence instantanément celui de l’autre. C’est cette combinaison de superposition et d’intrication qui permet d’explorer un grand nombre de solutions en parallèle.
Le choix du support physique pour fabriquer un qubit conditionne toute la suite du processus industriel. Les principales technologies en compétition reposent sur des principes physiques très différents :
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- Les qubits supraconducteurs, utilisés notamment par IBM, sont de minuscules circuits électroniques refroidis à des températures proches du zéro absolu. Ils sont fabriqués par dépôt de couches métalliques (aluminium, niobium) sur des substrats de silicium.
- Les qubits à ions piégés maintiennent des atomes chargés en lévitation grâce à des champs électromagnétiques, puis les manipulent avec des faisceaux laser de haute précision.
- Les qubits à atomes neutres utilisent des pinces optiques, des faisceaux laser focalisés, pour positionner et contrôler individuellement des atomes froids dans un réseau régulier.
- Les qubits en silicium (spin qubits) encodent l’information dans le spin d’un électron piégé dans un transistor semi-conducteur, une approche compatible avec les procédés de fabrication existants en microélectronique.
Fabrication des qubits supraconducteurs : salle blanche et cryogénie
La majorité des machines quantiques opérationnelles utilisent des qubits supraconducteurs. Leur fabrication commence dans une salle blanche, un environnement ultra-propre où la moindre poussière peut ruiner un circuit.
Les étapes ressemblent, en surface, à celles de la micro-électronique : lithographie, dépôt de couches minces, gravure. La différence tient à l’échelle de précision et aux matériaux employés. Le composant central est la jonction Josephson, une structure sandwich où deux couches supraconductrices sont séparées par une barrière isolante de quelques nanomètres d’épaisseur. C’est cette jonction qui confère au circuit son comportement quantique.
Une fois le processeur fabriqué, il doit être installé dans un réfrigérateur à dilution, un appareil capable d’atteindre des températures proches du zéro absolu. À ces températures, les vibrations thermiques disparaissent et le circuit entre dans un état supraconducteur, condition nécessaire pour que les qubits conservent leur état quantique assez longtemps pour effectuer un calcul.
Le réfrigérateur à dilution constitue l’un des postes les plus coûteux et les plus encombrants de l’ensemble. Il se présente comme une série de cylindres concentriques, chacun à une température inférieure au précédent, reliés par un réseau de câbles coaxiaux et de guides d’ondes micro-ondes qui transmettent les signaux de contrôle aux qubits.
Qubits silicium et compatibilité avec les fonderies CMOS
L’approche supraconductrice pose un problème d’échelle : chaque qubit et son câblage occupent un espace physique conséquent, et le refroidissement devient de plus en plus complexe à mesure que le nombre de qubits augmente.
C’est là que la piste des qubits en silicium compatibles CMOS prend son importance. Des acteurs comme Quobly, basée à Grenoble, cherchent à fabriquer des qubits directement sur des lignes de production de semi-conducteurs standard. L’enjeu est de taille : produire des processeurs quantiques dans des fonderies industrielles existantes plutôt que dans des laboratoires artisanaux.
Les procédés CMOS sont matures, reproductibles et optimisés depuis des décennies pour la production en volume. Si les qubits silicium atteignent un niveau de fiabilité suffisant, cette filière pourrait accélérer considérablement le passage de prototypes de recherche à des machines exploitables à plus grande échelle.
Correction d’erreurs et passage au calcul tolérant aux fautes
Un qubit isolé est fragile. Le moindre bruit électromagnétique, la moindre fluctuation thermique provoque une décohérence : le qubit perd son état quantique. Sur les machines actuelles, dites NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum), les calculs doivent rester courts pour limiter l’accumulation d’erreurs.
Pour atteindre le stade suivant, le FTQC (Fault-Tolerant Quantum Computing), il faut regrouper plusieurs qubits physiques pour former un seul qubit logique protégé par des codes de correction d’erreurs. Selon une note de synthèse de l’ARCEP publiée en juin 2026, une machine industriellement exploitable nécessiterait au moins dix mille qubits logiques, ce qui implique un nombre de qubits physiques bien supérieur et des architectures matérielles radicalement différentes des démonstrateurs actuels.
Assemblage final et infrastructure de contrôle d’un système quantique
Le processeur quantique ne représente qu’une fraction de la machine complète. Le système de contrôle, composé d’électronique classique, génère les impulsions micro-ondes ou laser qui manipulent les qubits. Il interprète ensuite les signaux de mesure pour extraire le résultat du calcul.
Cette électronique classique doit fonctionner à température ambiante tout en communiquant avec un processeur maintenu à quelques millikelvins. Le câblage entre ces deux mondes thermiques est un défi d’ingénierie à part entière : chaque câble transporte de la chaleur, et trop de chaleur détruit la cohérence des qubits.
L’ensemble, processeur, réfrigérateur, électronique de contrôle et logiciels de calibration, forme un système intégré qui occupe souvent la taille d’une grande armoire. Les machines d’IBM, par exemple, sont conditionnées dans des enceintes vitrées où le réfrigérateur à dilution est suspendu, visible de l’extérieur.
La fabrication d’un ordinateur quantique reste aujourd’hui un processus largement artisanal, même chez les industriels les plus avancés. Le passage à une production en série dépendra de la maturité des qubits silicium et de la capacité à intégrer la correction d’erreurs directement dans l’architecture matérielle. Les choix de fabrication faits maintenant détermineront quelles machines seront réellement utilisables dans les prochaines années.
