La simulation informatique, une approche de recherche révolutionnaire conçue à l'origine par des mathématiciens pendant la Seconde Guerre mondiale pour des études militaires, est devenue un outil indispensable pour les chercheurs, les universitaires et les concepteurs du monde entier. Elle favorise l'enrichissement des connaissances scientifiques et la mise au point des technologies. La conception assistée par ordinateur est rentable, flexible et sans risque, et permet d'éviter le processus classique d'essais-erreurs en R-D. Elle augmente la capacité de production, réduit les coûts de développement et raccourcit les délais de mise en marché.
Le domaine émergent des dispositifs quantiques miniatures, y compris les lasers et les transistors à base de semi-conducteurs, s'appuiera encore davantage sur les logiciels de simulation aux stades de la conception et de la production. Les dispositifs quantiques révolutionneront à nouveau la recherche en permettant de scruter les caractéristiques les plus infimes du monde plus profondément que jamais auparavant. Ils pourraient ouvrir la voie à la résolution des problèmes de cécité, de cancer ou de démence. Ils peuvent renforcer la résistance aux cyberattaques, transmettre l'énergie électrique des centrales sans perte et remplacer la technologie GPS par de petits appareils fonctionnant partout et à tout moment.
Les simulateurs quantiques sont radicalement différents des simulateurs informatiques traditionnels, car ils prennent en compte les interactions à l'échelle nanométrique des systèmes quantiques qui se comportent de manière inattendue. Les logiciels de simulation quantique prédisent ce comportement, aidant les chercheurs à comprendre et à prendre en compte ces différences au stade de la conception, avant la fabrication des capteurs en laboratoire. Il manquait jusqu'à présent aux concepteurs une méthode complète de simulation quantique pour les systèmes à semi-conducteurs.
Une petite entreprise canadienne, Nanoacademic Technologies Inc., a relevé ce défi à l'aide d'une nouvelle méthode efficace : la simulation de dispositifs quantiques à semi-conducteurs. Cette méthode permet de modéliser les propriétés des tels dispositifs sur un spectre unique de caractéristiques, tout en restant agnostique quant à la géométrie et à la nature des matériaux considérés.
Avec l'aide de l'équipe de recherche quantique du Conseil national de recherches du Canada (CNRC) et le financement du Programme de collaboration en science, en technologie et en innovation, Nanoacademic a amélioré son code de logiciel et fait passer le produit du laboratoire au marché beaucoup plus rapidement que prévu à l'origine.
La conception assistée par ordinateur fondée sur la technologie quantique (Quantum Technology Computer-Aided Design, ou QTCAD) mise au point par Nanoacademic calcule un éventail de propriétés dans presque toutes les géométries de dispositifs quantiques à qubit de spin à base de semi-conducteurs. Outre la simulation des électrons, une nouvelle fonction permet de simuler les quasi-particules telles que les trous, et ouvre des perspectives physiques remarquables sur des éléments qui n'existent peut-être même pas en modélisant les avantages technologiques propres aux dispositifs quantiques à base de trous.
« La QTCAD permet de modéliser finement des dispositifs à semi-conducteurs en les maillant de manières particulières à très petite échelle (nanométrique) pour concevoir les unités fonctionnelles de base des futurs ordinateurs quantiques, explique Jeremy F. Garaffa, directeur des ventes et du marketing de Nanoacademic. Nous élaborons activement des fonctions et des modules logiciels supplémentaires qui sont aussi tout à fait uniques. Il s'agit notamment de relier les fonctions de modélisation quantique de la QTCAD à leur ensemble de codes de la théorie de la fonctionnelle de la densité, ce qu'aucun autre logiciel existant sur le marché ne peut faire. »
Pour aider Nanoacademic à faire passer la QTCAD à la vitesse supérieure et à préparer le produit au lancement sur le marché, ses représentants à l'Institut quantique de Sherbrooke, au Québec, ont pris contact avec l'équipe de recherche quantique du CNRC en 2020.
« Avec l'aide des experts scientifiques du CNRC, nous avons élaboré un projet visant à ancrer notre outil dans la physique théorique la plus avancée, et mis au point des expériences qui ont permis de comparer et de valider les performances de notre logiciel », ajoute M. Garaffa.
Parvenir à la ligne d'arrivée
Selon Marek Korkusinski, agent de recherche principal au sein du Groupe de physique quantique, le rôle du CNRC a consisté à mener des expériences avec le logiciel de Nanoacademic, à communiquer les résultats et à collaborer avec l'entreprise pour vérifier les données. « Ils utilisent ces données pour étalonner leurs calculs et déterminer si leurs modèles de simulation fonctionneront dans le monde réel », explique-t-il.
Les chercheurs du CNRC rencontrent fréquemment l'équipe de Nanoacademic, dirigée par Félix Beaudoin (Ph. D.), directeur de la Technologie quantique, pour débattre des défis, des solutions et des résultats. Chaque partenaire apportant une expertise différente, mais essentielle, la collaboration a abouti à une version de la QTCAD qui est maintenant commercialement viable pour des clients de plusieurs pays.
La poursuite de l'effort de commercialisation permettra de généraliser l'utilisation du logiciel dans les universités, où il accélérera l'apprentissage, réduira les coûts et permettra de former du personnel hautement qualifié. Dans l'industrie et les administrations publiques, il faudra moins de ressources pour atteindre les objectifs et fournir des solutions de rechange sûres aux méthodes classiques d'expérimentation sur le terrain.
Ce projet bénéficie de l'aide financière du programme Défi « Internet des objets : capteurs quantiques » du CNRC et repose sur le pilier de la commercialisation de la Stratégie quantique nationale du Canada. Aimee K. Gunther, sous-directrice adjointe du programme Défi « Capteurs quantiques » du CNRC, a déclaré : « Ce projet illustre parfaitement l'importance de la recherche et du développement dans le domaine des matériaux. Comme pour les technologies révolutionnaires précédentes, telles que les ordinateurs et les téléphones intelligents, notre succès dépend de la qualité des outils d'ingénierie utilisés pour concevoir les composants fondamentaux et les éléments de base. »Contactez-nous
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