Ces premiers superordinateurs étaient conçus pour des usages sérieux : travaux militaires classifiés, recherche universitaire, ingénierie de pointe, etc. Dans les années 80, les ordinateurs dotés de ces capacités devaient fonctionner dans des cuves de liquide de refroidissement pour éviter que leurs processeurs ne fondent. Aujourd’hui, nous pouvons construire des ordinateurs plus puissants qui tiennent dans votre poche.

Les ingénieurs ont passé des décennies à réduire la taille des ordinateurs, à construire des machines plus légères et plus puissantes. Presque toutes les réalisations scientifiques et culturelles remarquables du dernier demi-siècle de l’histoire de l’humanité sont le fruit de ces progrès.

En 1965, quelques années seulement après l’apparition de l’industrie des semi-conducteurs, l’ingénieur et homme d’affaires Gordon Moore a fait une prédiction. Il a déclaré qu’il s’attendait à ce que le nombre de transistors placés sur une seule puce double tous les deux ans au cours de la décennie suivante.

C’était une affirmation audacieuse, une vision de l’avenir aussi audacieuse que celle qu’expriment aujourd’hui les pionniers de l’informatique quantique. Moore pensait que les ingénieurs parviendraient à sortir un lapin d’un chapeau cinq fois en dix ans. Mais il n’est pas allé plus loin que 1975 : il semblait évident qu’à un moment donné, la magie s’épuiserait et que les choses ralentiraient.

La prédiction de Moore, connue sous le nom de "loi de Moore", s’est vérifiée pendant bien plus d’une décennie. Tous les deux ou trois ans depuis le milieu des années 1960, les ingénieurs sont parvenus à doubler la densité des transistors des micropuces. Les transistors qui étaient aussi larges que des fibres de laine (20 micromètres) à la fin des années 1960 ont été ramenés à des échelles microscopiques. En 2021, IBM a créé une puce dont les plus petits composants ne font que deux nanomètres de large, soit moins qu’un brin d’ADN humain.

Pour maintenir la loi de Moore en vie au cours des dernières décennies, les ingénieurs ont eu recours à une astuce chimique.

Dans les années 1980, une équipe d’IBM a découvert une nouvelle méthode pour imprimer des transistors sur les puces. Ils ont mélangé des molécules ramifiées en forme de chaîne dans une solution, et ont peint cette solution (connue sous le nom de résine photosensible) en une fine couche sur la surface d’une puce vierge.

Une fois la solution séchée, les molécules ont adhéré à la surface. L’équipe a ensuite fait briller une lumière ultraviolette sur cette surface à travers un écran à motifs. L’écran veillait à ce que seules certaines des molécules soient exposées à la lumière, tandis que d’autres restaient dans l’ombre. 

Les branches de ces brins chimiques ont réagi à la lumière. En réagissant, elles ont modifié le comportement de la résine photosensible, la rendant plus ou moins collante. Les chercheurs ont lavé la résine photosensible exposée aux UV avec de l’eau. Les molécules qui sont restées ont formé des motifs complexes sur la plaquette de silicium.

Aujourd’hui, ces motifs servent de guides pour le câblage des micropuces. Les fabricants impriment des transistors sur ces motifs, qu’ils utilisent comme guides pour les structures informatiques fines.

« Lorsque l’on observe ces motifs au microscope, il est remarquable de voir à quel point ces lignes sont nettes, avec des bords précis », explique Jeannette Garcia, Senior Research Manager for Quantum Applications Research and Software chez IBM Quantum.

Cette netteté est importante : toute imprécision pourrait entraîner des erreurs dans le processus de fabrication et des micropuces inutiles.

IBM a travaillé en étroite collaboration avec des partenaires tels que JSR pour affiner ce processus, en concevant les résines photosensibles de manière à contrôler finement la forme des motifs à l’échelle du nanomètre.

« Grâce à une chimie précise, il est possible d’obtenir des traits d’une taille incroyablement petite, dont la largeur ne dépasse pas celle des polymères de la résine photosensible, explique J. Garcia. C’est ainsi que nous sommes parvenus à des composants d’une largeur de deux nanomètres. C’est le moteur de la loi de Moore. »

Aujourd’hui, l’ensemble de l’industrie de fabrication des micropuces dépend du processus de résine photosensible.

« Chez JSR, nous nous félicitons de figurer parmi les leaders mondiaux dans la production de solutions de pointe de résine photosensible, affirme Toru Kimura, directeur général de la division Matériaux électroniques chez JSR. Nous fournissons les produits chimiques essentiels qui alimentent la loi de Moore au XXI^e siècle et collaborons avec des partenaires tels qu’IBM afin d’améliorer continuellement notre gamme de matériaux de résine photosensible. »

Tout comme les micropuces qu’elles contribuent à fabriquer, ces résine photosensibles sont devenues beaucoup plus complexes depuis les premières expériences menées dans les années 1980. Au fur et à mesure que la chimie a évolué pour prendre en charge des motifs plus fins et plus délicats, de nouveaux éléments ont été ajoutés aux résines photosensibles pour en faire des instruments plus précis. Par exemple, les chercheurs ont introduit dans la solution des composants chimiques connus sous le nom de générateurs de photo-acides (PAG).

Les PAG agissent un peu comme des remorqueurs chimiques, explique J. Garcia, en poussant les grands polymères à se mettre en place. Lorsque certaines conditions sont réunies, un PAG émet un proton qui interagit avec les polymères de la résine photosensible, rendant les molécules solubles pour qu’elles puissent être éliminées par lavage. Lorsque les fabricants développent de nouvelles puces électroniques, ils travaillent avec JSR pour déterminer la solution de résine photosensible précise nécessaire pour obtenir les résultats souhaités.

Ce processus peut être long et coûteux.

« Il est difficile de prédire le comportement d’une nouvelle résine photosensible tant que nous ne l’avons pas développée en laboratoire et testée rigoureusement en conditions réelles. », explique T. Kimura.

La chimie impliquée est trop complexe pour que même les superordinateurs les plus puissants du monde puissent la simuler efficacement.

« Nous pensons que ce domaine est sur le point de se transformer, précise T. Kimura. En collaboration avec nos partenaires de longue date chez IBM, nous explorons les simulations chimiques à l’aide d’ordinateurs quantiques. Jusqu’à présent, nous avons montré que les ordinateurs quantiques peuvent simuler de petites molécules qui ressemblent aux composants d’une résine photosensible. »

Le monde réel repose sur la mécanique quantique, et les ordinateurs quantiques pourraient bientôt être nos meilleurs outils pour le simuler. Ces ordinateurs, qui font actuellement l’objet d’un processus de mise à l’échelle et de développement rapide au sein d’IBM Quantum, pourraient un jour permettre de résoudre des problèmes complexes auxquels se heurtent même les superordinateurs classiques. 

À l’aide de simulations chimiques par ordinateur, JSR vise à développer de nouvelles résines photosensibles plus rapidement et à moindre coût : un avantage potentiel pour perpétuer la loi de Moore à l’avenir.

IBM et JSR s’attendent à ce que les ordinateurs quantiques soient des outils puissants pour ce type de simulation chimique une fois qu’ils auront atteint l’échelle et la puissance nécessaires. JSR travaille aujourd’hui avec IBM Quantum pour jeter les bases de cet avenir.

« À mesure que les ordinateurs quantiques deviennent plus performants, nous nous efforçons de les exploiter dans le cadre de notre travail », poursuit T. Kimura.

Récemment, une équipe de recherche conjointe JSR-IBM Quantum a réussi à simuler une molécule plus petite ayant des comportements similaires à ceux d’un PAG. Cela a montré qu’en principe, il devrait être possible de simuler les PAG eux-mêmes à mesure que les ordinateurs quantiques se développent.

Tous ces travaux tendent vers un avenir où des superordinateurs quantiques résoudront des problèmes impossibles à résoudre aujourd’hui, ce qui aura des retombées à court terme sur la recherche en chimie. Pour JSR, cela devrait se traduire par des puces informatiques plus performantes et plus rapides, produites à moindre coût. Pour d’autres partenaires, cela pourrait se traduire par des avancées dans la découverte de médicaments ou la science des matériaux.

Aujourd’hui, IBM Quantum héberge le parc le plus avancé au monde de systèmes informatiques quantiques et de logiciels permettant d’exécuter des circuits quantiques à grande échelle. Votre organisation peut s’associer à IBM Quantum pour stimuler la recherche et développer des compétences quantiques.

Grâce à des technologies issues du développement de matériaux polymères, JSR Corporation développe et fournit de nombreux produits de premier plan au niveau mondial, notamment des matériaux de lithographie, des matériaux CMP, des matériaux de traitement et des matériaux d’emballage, qui sont essentiels à la production de puces semi-conductrices. Les matériaux LCD et les matériaux d’affichage de nouvelle génération de JSR sont utilisés dans la production d’écrans LCD et OLED.