Depuis des décennies, nos ordinateurs progressent en faisant tenir toujours plus de transistors sur une puce. Mais cette course a ses limites physiques : on ne peut pas réduire indéfiniment la taille des composants. Pour aller plus loin, les scientifiques explorent une autre voie, radicalement différente : exploiter les lois de la physique quantique, celles qui gouvernent le comportement de la matière à l'échelle de l'atome. Dans ce monde infiniment petit, les règles changent. Une particule peut exister dans plusieurs états simultanément, être à la fois ici et là, allumée et éteinte. C'est sur ce principe déroutant que repose la promesse des ordinateurs quantiques : des machines capables de traiter certains problèmes complexes à une vitesse qu'aucun ordinateur classique ne pourra jamais atteindre.

Mais construire un ordinateur quantique, c'est d'abord savoir manipuler ses briques élémentaires : les qubits. Là où un bit classique vaut 0 ou 1, un qubit peut valoir les deux à la fois. Pour cela, les physiciens utilisent une propriété fondamentale des particules appelée le spin, une sorte d'orientation interne, comme une boussole microscopique. Ces qubits de spin doivent être opérés à des températures proches du zéro absolu, soit environ -273°C, pour rester dans leur état quantique fragile. Le moindre échauffement, même d'un millième de degré, suffit à tout perturber.

Cette chaleur ne peut-elle pas, plutôt que d'être seulement subie, être aussi mise à profit ?

C'est la double question à laquelle s'attaque Boris Brun-Barrière depuis son arrivée à l'Université Grenoble Alpes en décembre 2023. En combinant expériences en physique du solide, simulations théoriques et ingénierie de dispositifs quantiques, il cherche à comprendre, et à dompter, les effets thermiques dans les systèmes quantiques les plus prometteurs.

Comprendre comment la chaleur agit sur les qubits, c'est s'attaquer à l'un des verrous les plus concrets sur la route des ordinateurs quantiques.

Quand un millième de degré fait tout basculer

Les qubits de spin sont parmi les candidats les plus sérieux pour construire les processeurs quantiques de demain. Fabriqués dans du silicium, le même matériau que nos puces électroniques ordinaires, ils ont l'avantage d'être extrêmement miniaturisables et compatibles avec les techniques de fabrication existantes. Mais ils sont aussi extraordinairement sensibles à leur environnement thermique.

Lorsqu'on manipule ces qubits à l'aide de champs micro-ondes, l'environnement immédiat s'échauffe. Cet échauffement, même infime, perturbe les qubits de façon encore mal comprise. Pour l'observer et le mesurer, l'équipe a mis au point une technique de thermométrie ultra-rapide, capable de détecter des variations de température de l'ordre du millikelvin, soit un millième de degré, sur des échelles de temps de l'ordre de la microseconde (Champain 2024). Un outil de précision inédit à ces échelles nanométriques et à ces températures extrêmes.

L'étape suivante a consisté à identifier l'origine physique de ces effets. En étudiant des qubits à base de « trous », les partenaires de charge opposée des électrons dans le silicium, l'équipe a pu montrer que c'est une interaction propre aux trous qui crée leur sensibilité particulière à la chaleur (Champain 2025). Une découverte décisive : elle ouvre la voie à des qubits capables de résister à ces perturbations thermiques, en identifiant des configurations particulières du champ magnétique pour lesquelles la sensibilité à la chaleur s'annule presque complètement. En parallèle, l'équipe a également montré qu'il est possible de protéger ces mêmes qubits contre les perturbations électriques parasites de leur environnement, une autre source d'erreurs majeure, ouvrant la perspective de qubits de spin de très haute qualité (Bassi, Nature Physics 2026).

Un troisième front s'ouvre désormais : l'interaction des qubits de trous avec les noyaux de silicium environnants, porteurs d'un spin nucléaire. Encore mal comprise, cette interaction est l'un des derniers facteurs limitant la cohérence des qubits, et fait l'objet de travaux en cours au sein de l'équipe.

De l'obstacle à l'outil : naissance d'un bolomètre quantique

Mais la chaleur n'est pas seulement une contrainte à combattre. Elle peut aussi devenir un signal à exploiter. En parallèle de ses travaux sur les qubits, Boris Brun-Barrière développe une nouvelle génération de bolomètres, des capteurs de rayonnement extrêmement sensibles, à base de germanium bidimensionnel. Le principe : dissiper l'énergie de photons dans un absorbeur minuscule, dont la température est lue en temps réel. Grâce à leur très faible capacité calorifique, ces matériaux forment des détecteurs thermiques d'une sensibilité exceptionnelle, ouvrant en principe la possibilité de détecter des photons micro-ondes uniques, une brique encore manquante dans l'édifice des technologies quantiques.

Les résultats dépassent désormais l'état de l'art : un tournant décisif pour cette nouvelle activité, qui a permis de fédérer un consortium international autour d'un projet européen ambitieux.

Un enjeu de civilisation numérique

Ces recherches s'inscrivent dans ce que les physiciens appellent la « deuxième révolution quantique » : notre capacité nouvelle à isoler, manipuler et lire des objets quantiques individuels. Ce nouveau paradigme promet des capteurs d'une sensibilité inégalée, une miniaturisation extrême, et, horizon encore lointain mais réel, des ordinateurs capables de résoudre certaines classes de problèmes bien plus rapidement que n'importe quelle machine classique.

Sur le chemin, il reste encore beaucoup à comprendre sur la façon dont les systèmes quantiques interagissent avec leur environnement. C'est précisément ce frottement entre le monde quantique et le monde réel, imparfait, bruyant, chaud, que ce physicien grenoblois a choisi de mettre au centre de son travail.

Perspectives

La thermodynamique quantique est aujourd'hui l'un des champs les plus actifs de la physique fondamentale et appliquée. Comment gérer la dissipation d'énergie à mesure que les processeurs quantiques gagnent en complexité ? Comment exploiter les effets thermiques plutôt que de simplement les subir ? Quels nouveaux capteurs quantiques la maîtrise du rayonnement micro-onde permettra-t-elle de construire ?

Ancré dans des collaborations étroites avec le CEA et des partenaires européens, et fort de la responsabilité du master 2 international « Quantum Information Quantum Engineering » à l'UGA, Boris Brun-Barrière forme aussi la prochaine génération de spécialistes des technologies quantiques émergentes, celles qui, demain, pourraient transformer en profondeur notre rapport au calcul et à la mesure.