Hébergée par des laboratoires du Réseau National de Métrologie Française (RNMF) – le LNE-OP au sein du Laboratoire Temps Espace (LTE) de l’Observatoire de Paris - PSL, le LNE-CNAM au Cnam (Conservatoire National des Arts et Métiers), et le LNE (Laboratoire national de métrologie et d’essais) – la plateforme  MetriQs-France a pour ambition de constituer une plateforme de métrologie de référence pour les technologies quantiques, experte et indépendante, active au premier plan à l’international.

Résumé

MetriQs-HUB-France est l’un des deux volets du programme MetriQs-France, financé dans le cadre de la Stratégie nationale sur les technologies quantiques (SNQ). Doté d’un budget d’environ 4 M€, celui-ci a pour objectif principal le déploiement et la mise en œuvre d’une plateforme de métrologie quantique, permettant de réaliser des mesures fiables, objectives et comparables, des caractéristiques et des performances d’équipements ou d'instruments conçus à base de technologies quantiques.

Hébergée par des laboratoires du Réseau National de Métrologie Française (RNMF), la plateforme MetriQs-France s’appuie sur des équipements de pointe, des conditions expérimentales bien contrôlées et du personnel expert en métrologie. Celle-ci ambitionne de devenir une véritable plateforme de référence, experte et indépendante, active à l’échelle nationale et internationale.

Compte tenu notamment du caractère exploratoire des développements dans ce domaine technologique, la plateforme MetriQs-France est destinée à être ouverte aux utilisateurs académiques et industriels, répondant ainsi aux besoins de test et de mesure des acteurs de l’écosystème des technologies quantiques. Elle contribue aussi à l’élaboration et à la valorisation des référentiels de mesure développés dans le cadre des projets de R&D financés par le programme MetriQs-France (MOCQUA et QUBE) et ceci dans les domaines d’excellence du LNE et du RNMF.

La plateforme MetriQs-France comprend 4 pôles thématiques concentrés sur :

• La caractérisation des qubits à l’état solide et des technologies habilitantes (électronique RF et cryogénie).
• La thermométrie à très basse température.
• La caractérisation des gravimètres quantiques.
• La caractérisation d’horloges atomiques.

La métrologie en soutien à l’innovation et à l’industrialisation

Afin de permettre à la France de devenir un acteur majeur du déploiement industriel des technologies quantiques, la Stratégie nationale sur les technologies quantiques (SNQ) prévoit des travaux d’envergure pour développer et promouvoir des référentiels de mesure qui soient objectifs, harmonisés et reconnus, afin de permettre la caractérisation fiable, indépendante et impartiale des performances des produits et équipements fondés sur ces nouvelles technologies de pointe.

À cette fin, le Laboratoire national de métrologie et d’essais (LNE) s’est vu confier par l’État la mission de coordonner ces activités et de les mener en étroite collaboration avec les organismes nationaux de recherche, les industriels français du secteur (start-ups, PME, ETI, grands groupes), l’AFNOR (Association française de normalisation) pour la normalisation, et avec ses partenaires du Réseau National de la Métrologie Française (RNMF) exerçant dans le domaine quantique.

Dans le cadre du programme MetriQs-France, la plateforme de métrologie quantique MetriQs-France

• Rassemble les compétences uniques en métrologie et les installations de métrologie fondamentale situées à l’état de l’art mondial du LNE, du LNE-CNAM au Cnam et du LNE-OP au Laboratoire Temps Espace (LTE) de l'Observatoire de Paris - PSL.
• Donne accès à des équipements de pointe et à des environnements expérimentaux maîtrisés aux acteurs de recherche publics et aux industriels de l’écosystème quantique afin de les aider à limiter leurs risques d’investissement dans ces technologies émergentes dont le niveau de maturité est encore faible.
• Permet des mesures fiables, objectives et comparables des caractéristiques et des performances des produits et équipements à base de technologies quantiques, et ce, au meilleur niveau métrologique et avec des moyens de mesure validés et harmonisés.
• Contribue à la promotion et à la diffusion de référentiels de mesure spécifiques, en participant aux travaux de normalisation et en développant à terme de nouveaux services de mesure et de nouvelles prestations d’essai ou d’étalonnage, en soutien à l’industrialisation et à la commercialisation des technologies quantiques.
• S’inscrit pleinement dans une démarche de coopération internationale en s’impliquant dans d’autres initiatives menées par les laboratoires nationaux de métrologie étrangers les plus avancés dans ce domaine, comme la PTB en Allemagne, l’INRIM en Italie, le NPL au Royaume-Uni, le NIST aux États-Unis ou encore le NMIJ au Japon.
• Crée des synergies entre les moyens de mesure et de caractérisation disponibles en Europe par l’intermédiaire du réseau EMN-Q (European Metrology Network on Quantum Technologies) au sein d’EURAMET, l’association européenne des laboratoires nationaux de métrologie.
• Est impliquée dans le programme de recherche européen en métrologie EPM (European Partnership on Metrology) géré par EURAMET, notamment dans le cadre du projet de recherche européen MetSuperQ.
• Collabore étroitement avec le projet Horizon Europe Qu-Test qui a établi un réseau fédéré de plateformes expérimentales formant une infrastructure européenne de services, experte et indépendante, pour des tests et expérimentations de technologies quantiques, selon les meilleures pratiques (harmonisées voire normalisées), ouverte aux partenaires industriels et aux académiques européens.
• Ambitionne d’intégrer toute infrastructure européenne de plus grande ampleur visant à élargir l’accès aux bancs d’essai, installations et équipements nécessaires pour tester et valider les avancées scientifiques et technologiques, et in fine à accélérer le développement de prototypes nécessaires au déploiement industriel des technologies quantiques.

Les capacités métrologiques existantes des laboratoires du RNMF seront renforcées grâce à l’acquisition et à l’installation d’équipements supplémentaires afin d’offrir, à terme, de nouvelles possibilités de mesure, au meilleur niveau métrologique, sur les sujets définis comme prioritaires par la Stratégie nationale sur les technologies quantiques (SNQ) : le calcul quantique, les capteurs quantiques, et les technologies habilitantes permettant de mettre en œuvre ces dispositifs quantiques.

La plateforme MetriQs-France est exploitée prioritairement pour la réalisation du programme MetriQs-France, en particulier dans le cadre des projets MOCQUA et QUBE, par le développement de méthodes de mesure et de caractérisation de référence pour des composants matériels des ordinateurs quantiques, y compris des qubits.

L’ensemble des publications scientifiques liées au programme est disponible sur la plateforme HAL MetriQs-HUB-France.

Les pôles thématiques de la plateforme MetriQs-France

En pratique, la plateforme MetriQs-France s’articule autour de 4 pôles thématiques reflétant les domaines de compétence et d’expertise du LNE et du RNMF. Ceux-ci concernent :

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• Les qubits à l’état solide et les technologies habilitantes (électronique RF et cryogénie).
• La thermométrie à très basse température.
• La gravimétrie quantique.
• Les horloges atomiques.

Responsable scientifique et technique

• Félicien SCHOPFER, felicien.schopfer@lne.fr

Pôle de caractérisation des qubits à l’état solide et des technologies habilitantes

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Ce pôle a pour objectif le développement de nouveaux moyens de caractérisation de composants (câblage, connectique, filtres, amplificateurs, électronique supraconductrice), d'instruments de mesure et des systèmes cryogéniques nécessaires à la mise en œuvre des processeurs quantiques à l’état solide à très basse température. Il concerne aussi, à plus long terme, la caractérisation des qubits et des petits processeurs quantiques combinant quelques qubits (qubits supraconducteurs, qubits de spin et technologies émergentes comme les qubits électroniques volants ou topologiques), en ce qui concerne les propriétés nécessaires au calcul quantique.

Sur la base des activités déjà existantes en métrologie électrique quantique et haute fréquence, les nouveaux équipements installés – réfrigérateurs à dilution intégrant notamment des amplificateurs paramétriques à ondes progressives (TWPAs), instruments électriques et électroniques DC/BF/HF, synthétiseur de formes d’ondes arbitraires Josephson (JAWS), instruments de mesure et de contrôle haute fréquence (HF) – permettront de développer de nouvelles activités de métrologie en soutien au développement des calculateurs quantiques, en commençant par les technologies habilitantes (électronique cryogénique notamment). En termes de service, ces équipements sont destinés à répondre au besoin d’accessibilité des utilisateurs industriels et académiques à des moyens de mesure maîtrisés et spécifiques à la mise en œuvre de qubits dans les conditions expérimentales parfaitement contrôlées du LNE. Par conséquent, ces équipements seront rendus accessibles aux acteurs de l’écosystème quantique.

Ainsi, le LNE s’investit pleinement dans le nouveau champ de la caractérisation métrologique des qubits et des technologies habilitantes pour le calcul quantique à l’état solide. Avec ces moyens de mesure et la maîtrise des conditions environnementales, le LNE ambitionne de se positionner comme laboratoire de référence pour caractériser les technologies de demain, soutenant l’innovation dans ce domaine et favorisant l’industrialisation de ces nouvelles technologies.

Responsable du Pôle

• François COUËDO, françois.couedo@lne.fr

Pôle de thermométrie à très basse température

Ce pôle vise à développer de nouveaux moyens de caractérisation d’équipements sur deux plans :

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• Caractérisation de systèmes cryogéniques destinés à la mise en œuvre de technologies quantiques, technologies de qubit notamment, sur la base des compétences et des infrastructures déjà existantes au LNE-CNAM, par la mise en œuvre de la génération de très basses températures (environ 10 mK) et de la traçabilité de leurs mesures au Système international d’unités (SI) via l’Échelle Provisoire pour les Basses Températures de 2000 (EPBT-2000), référence mise en place au laboratoire.
• Développement et caractérisation de résonateurs quantiques optomécaniques à très basse température pour la mesure quantique de température pour l’appliquer aux mesures sur des qubits, avec l’objectif d’intégrer des capteurs à la puce qubit.

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Ces travaux de thermométrie bénéficieront de l’expertise du laboratoire, située au meilleur niveau mondial dans le domaine et attestée par sa contribution de tout premier plan à la redéfinition du kelvin en 2018, et de ses compétences en matière de thermométrie acoustique et de mesure de température inférieure à 1 K par l’intermédiaire de la mesure de la pression de fusion de l’hélium-3. Les travaux de métrologie avec des techniques optomécaniques s’inscrivent dans une collaboration bien établie avec deux laboratoires du CNRS, le Laboratoire Kastler Brossel (LKB) à Paris et le Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N) à Saclay.

La nouvelle instrumentation électronique développée pour la thermométrie sur des qubits permettra d’accéder et de mesurer les très basses températures nécessaires à la mise en œuvre des technologies quantiques. Les développements visent d’une part à fournir la traçabilité des mesures à l’échelle de température EPBT-2000 (Échelle Provisoire pour les Basses Températures) jusqu’à 10 mK et d’autre part à intégrer des moyens optomécaniques de mesure de la température aux qubits. Les progrès visés portent sur les performances des moyens de génération et de mesure cryogénique (stabilité des cryostats et exactitude de la mesure de température traçable à l’échelle de référence locale) et sur la mise à disposition de ces moyens aux utilisateurs externes.

Responsable du Pôle 

• Stéphan BRIAUDEAU, stephan.briaudeau@lecnam.net  

Pôle de gravimétrie quantique

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Ce pôle vise à développer de nouveaux moyens de caractérisation de capteurs inertiels, gravimètres et gradiomètres quantiques, en référence au gravimètre à atomes froids du LNE-OP au Laboratoire Temps Espace (LTE) de l’Observatoire de Paris - PSL . Ce gravimètre à atomes froids, conçu sur la base de techniques d’interférométrie atomique par l’équipe du LNE-OP pionnière dans ce domaine, est la référence nationale (étalon de mesure absolue) en gravimétrie. Il est également aujourd’hui l’instrument de mesure de la gravité le plus exact et le plus sensible au monde.

Le développement d’un nouveau banc optique, fibré et automatisé, est destiné à améliorer et à faciliter le pilotage du gravimètre étalon à atomes froids placé dans un espace du laboratoire spécialement adapté. Il élargira l’offre de service de caractérisation et d’étalonnage des gravimètres et gradiomètres quantiques développés par les acteurs français, grâce aux progrès réalisés en termes de performances de mesure (exactitude et sensibilité) et en termes de services pour l’extérieur (fonctionnement plus simple, plus fiable, automatisé et en continu, instrument plus compact favorisant sa transportabilité).

Ces nouveaux moyens de mesure seront mis au service des partenaires industriels français qui développent des instruments de plus en plus performants notamment avec le déploiement des technologies quantiques, en réponse à une demande croissante pour de nombreuses applications industrielles, comme les secteurs du génie civil, de la prospection minière et hydraulique ou encore des sciences de la Terre et du climat. En parallèle, d’autres projets de recherche plus fondamentale en gravimétrie seront développés dans le cadre du Programme et Équipements Prioritaires de Recherche Quantique (PEPR Quantique), comme le projet QAFCA appliqué à la géophysique. D’une manière générale, les développements prévus permettront à la France de maintenir son indépendance et son avance mondiale en gravimétrie, tant pour les mesures de référence en laboratoire que pour les mesures industrielles réalisées sur site.

Responsable du Pôle 

• Sébastien MERLET, sebastien.merlet@obspm.fr 

Pôle de caractérisation d’horloges atomiques

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Ce pôle vise d’une part à améliorer et fiabiliser les références temps-fréquence du LNE-OP au Laboratoire Temps Espace (LTE) de l’Observatoire de Paris – PSL à Paris, et d’autre part, à mettre en place un service de caractérisation et d’étalonnage d’oscillateurs et d’horloges atomiques à réseaux optiques. Cette dernière activité répond à une demande croissante d’entreprises industrielles et contribue au développement des technologies quantiques qui nécessitent des références de fréquence dont les performances sont de l’ordre des meilleures capacités de mesure actuelles.

Dans le cadre du RNMF, le LNE-OP est le laboratoire national de métrologie pour le temps et la fréquence. À ce titre, il génère l’échelle de temps de référence pour la France – UTC(OP), base de l'heure légale – et assure la mise à disposition des références nationales de temps et de fréquence à l’ensemble de la société française.

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Ses travaux de R&D s’inscrivent pleinement dans les objectifs internationaux de métrologie du temps visant à préparer une nouvelle définition de la seconde du Système international d’unités (SI) , pour une adoption à l’horizon 2030. L’unité de temps est en effet l’unité du SI réalisée avec la plus grande exactitude et la plupart des unités de mesure en sont dérivées. Par ailleurs, avec l’avènement de nouvelles technologies comme les technologies quantiques, il est devenu indispensable de faire évoluer la définition de la seconde du SI pour améliorer les références de mesure en temps-fréquence de deux ordres de grandeur et pouvoir transférer ce gain de performance aux mesures de caractérisation des instruments ou équipements issus des technologies quantiques, et plus largement pour répondre aux besoins de mesure de demain (géodésie, mesure et télécommunication par satellites, géolocalisation, navigation, connaissance de physique fondamentale, etc.).

Les développements envisagés dans ce programme quantique MetriQs-France s’appuient sur l’ensemble de l’infrastructure et des instruments de pointe existants au LNE-OP. Pour les compléter, de nouveaux équipements sont en développement, comme un oscillateur micro-onde cryogénique (sans consommation d’hélium liquide), ultrastable et très bas bruit. Ils permettront d’améliorer la performance des références métrologiques de temps-fréquence (stabilité des oscillateurs et exactitude des horloges) et d’élargir l’offre de service de mesures à destination d’utilisateurs externes (fonctionnement plus fiable des bancs, en continu et à plus faible coût).

Responsable du Pôle 

• Luca LORINI, luca.lorini@obspm.fr