Comment nous préparer à l’accélération des technologies quantiques

Laurent San­chez-Palen­cia et son équipe s’in­té­ressent à la com­pré­hen­sion de l’or­ga­ni­sa­tion de la matière à l’é­chelle quan­tique, où s’imbriquent des effets à la fois ondu­la­toires et cor­pus­cu­laires, tels que l’in­ter­fé­rence et l’in­tri­ca­tion, ain­si que de fortes inter­ac­tions entre par­ti­cules. Laurent San­chez-Palen­cia est éga­le­ment impli­qué dans le déve­lop­pe­ment de nou­veaux pro­grammes de for­ma­tion en tech­no­lo­gies quan­tiques à l’École poly­tech­nique et à l’Institut Poly­tech­nique de Paris.

Son équipe tra­vaille actuel­le­ment sur la simu­la­tion quan­tique et tente de modé­li­ser et com­prendre le com­por­te­ment des maté­riaux « qua­si-pério­diques » à basse tem­pé­ra­ture. Ces maté­riaux sont trop com­plexes pour être entiè­re­ment décrits à l’échelle ato­mique et pour­raient être mieux com­pris grâce à la simu­la­tion quan­tique. Les supra­con­duc­teurs à haute tem­pé­ra­ture et le magné­tisme quan­tique en sont d’autres exemples. 

Les résul­tats théo­riques obte­nus pour les modèles mini­maux peuvent être tes­tés lors d’ex­pé­riences réelles dans des sys­tèmes contrô­lables connus sous le nom de « réseaux optiques ». Ceux-ci sont consti­tués d’a­tomes à des tem­pé­ra­tures extrê­me­ment basses – de l’ordre de quelques dizaines de mil­liar­dième de kel­vins – et main­te­nus ensemble par des fais­ceaux laser. Lorsqu’un nombre adé­quat de fais­ceaux laser pointent dans la même direc­tion sur un plan, on obtient un sys­tème exo­tique, à mi-che­min entre ordre et désordre, pré­sen­tant un ordre à longue por­tée mais non pério­dique, dit quasi-périodique.

Les cher­cheurs étu­dient ce qui se passe lorsque des inter­ac­tions entre atomes conduisent à l’ap­pa­ri­tion de nou­velles phases quan­tiques appe­lées verres de Bose. Ces verres sont des iso­lants d’un type par­ti­cu­lier qui, en théo­rie, ne devraient appa­raître que dans des struc­tures soit désor­don­nées soit qua­si-pério­diques. Un iso­lant stan­dard pré­sente un écart d’éner­gie entre son état fon­da­men­tal et ses pre­miers états exci­tés, de sorte que seul un champ élec­trique puis­sant per­met d’exciter les charges et les mettre en mou­ve­ment. Dans un verre de Bose, en revanche, un tel écart d’énergie n’existe pas, mais les charges sont confi­nées dans des régions très loca­li­sées qui ne per­mettent pas l’établissement d’un cou­rant de particules. 

Les verres de Bose ont été pré­dits pour la pre­mière fois à la fin des années 1980, mais n’ont jamais été obser­vés sans ambi­guï­té dans une expé­rience, y com­pris dans des sys­tèmes d’a­tomes froids. En effet, les atomes froids ne sont jamais par­fai­te­ment froids et, même à des tem­pé­ra­tures aus­si basses que quelques mil­liar­dièmes de kel­vins, des fluc­tua­tions ther­miques peuvent détruire les phases quan­tiques. Pour­tant, les cher­cheurs ont récem­ment pré­dit une situa­tion où, mal­gré ces fluc­tua­tions ther­miques, un verre de Bose pour­rait être sta­bi­li­sé et obser­vé. lls dis­cutent actuel­le­ment avec leurs col­lègues expé­ri­men­ta­teurs de la manière de conce­voir une expé­rience dans laquelle ils pour­raient enfin obser­ver ces verres exotiques.

Ces sys­tèmes sont fas­ci­nants à bien des égards. Il sont, par exemple, sou­vent non-ergo­diques, par oppo­si­tion à l’er­go­di­ci­té conven­tion­nelle. Les sys­tèmes ergo­diques explorent tout l’espace à leur dis­po­si­tion et peuvent ain­si atteindre l’é­qui­libre ther­mo­dy­na­mique, une situa­tion bien décrite par la théo­rie de Boltz­mann, éla­bo­rée à la fin du XIX^e siècle. Le com­por­te­ment des sys­tèmes ergo­diques est com­pa­tible avec la plu­part des obser­va­tions faites à ce jour sur des objets allant de la taille du micron à celle des étoiles et des galaxies. Cette théo­rie repose sur l’i­dée que le sys­tème fluc­tue entre tous les états pos­sibles par des che­mins qui lui per­mettent de pas­ser très rapi­de­ment d’un état à l’autre. Dans les sys­tèmes non ergo­diques, en revanche, cette ergo­di­ci­té est empê­chée par des inho­mo­gé­néi­tés dans le sys­tème. Celui-ci reste pié­gé dans un sous-ensemble de ses confi­gu­ra­tions pos­sibles, loin de l’équilibre.

L’in­tri­ca­tion est un autre phé­no­mène pure­ment quan­tique qui inté­resse l’équipe, dans lequel deux par­ti­cules ou plus peuvent avoir des cor­ré­la­tions beau­coup plus pro­fondes que ne le per­met la phy­sique clas­sique. Par exemple, les pro­prié­tés obser­vables d’une par­ti­cule quan­tique sont géné­ra­le­ment indé­ter­mi­nées, de sorte que les résul­tats de mesure sont aléa­toires. Néan­moins, lorsque les par­ti­cules sont intri­quées, la déter­mi­na­tion de l’é­tat d’une par­ti­cule fixe ins­tan­ta­né­ment l’é­tat de l’autre, ou des autres, et ce quelle que soit la dis­tance qui les sépare. Cette puis­sante « action fan­tôme à dis­tance », comme l’ap­pe­lait Ein­stein, semble trans­cen­der l’es­pace et le temps, de sorte que nous pou­vons déter­mi­ner l’é­tat d’une par­ti­cule sim­ple­ment en mesu­rant celui de sa par­te­naire intri­quée. Par exemple, si vous mesu­rez le spin d’une par­ti­cule, disons un élec­tron, vous pou­vez déter­mi­ner le spin de l’autre sans jamais l’observer.

On com­mence à peine à exploi­ter les appli­ca­tions de ce spec­ta­cu­laire effet de cor­ré­la­tion à dis­tance, même s’il est déjà uti­li­sé dans la cryp­to­gra­phie de cer­taines télé­com­mu­ni­ca­tions : en termes simples, sup­po­sons que l’émetteur et le récep­teur par­tagent une paire intri­quée, de sorte que les résul­tats de leurs mesures sont aléa­toires mais iden­tiques. Pour inter­cep­ter la com­mu­ni­ca­tion, un espion doit effec­tuer une mesure, dont le résul­tat est aléa­toire mais sur­tout qui modi­fie l’état de la paire, qui n’est plus intri­quée. Les mesures de l’émetteur et du récep­teur ne sont alors plus cor­ré­lées et ils pour­ront le consta­ter en com­pa­rant les résul­tats de leurs mesures. La force d’une telle méthode de cryp­tage est qu’elle ne repose pas sur la dif­fi­cul­té d’espionner sans être repé­ré mais sur une impos­si­bi­li­té basée sur les lois fon­da­men­tales du monde quantique.

Une autre appli­ca­tion du carac­tère aléa­toire de la mesure est la pos­si­bi­li­té de fabri­quer des géné­ra­teurs de nombres aléa­toires par­faits et des clés cryp­to­gra­phiques tota­le­ment aléatoires. 

Ces géné­ra­teurs de nombres aléa­toires sont d’ores et déjà com­mer­cia­li­sés et il existe même au moins un exemple de télé­phone por­table qui uti­lise une tech­no­lo­gie quan­tique de ce type. L’in­tri­ca­tion quan­tique peut éga­le­ment être exploi­tée dans un pro­ces­sus connu sous le nom de codage dense, qui est lié au fait qu’un état intri­qué contient une quan­ti­té phé­no­mé­nale d’informations com­pa­rée à la seule somme des infor­ma­tions por­tées par chaque par­ti­cule individuelle.

On sait seule­ment aujourd’hui fabri­quer des machines avec une cen­taine de qubits.

Chaque par­ti­cule contient en effet de l’information sur son propre état, mais l’information sur les cor­ré­la­tions est dis­tri­buée entre tous les sous-ensembles de par­ti­cules, en nombre infi­ni­ment plus grand. Cet effet per­met ain­si d’encoder une immense quan­ti­té d’in­for­ma­tion dans des struc­tures appe­lées bits quan­tiques, ou qubits. Ceux-ci dif­fèrent des bits infor­ma­tiques stan­dards, qui peuvent prendre la valeur soit 0, soit 1, tan­dis que les qubits peuvent prendre les deux valeurs à la fois, ou toute com­bi­nai­son de 0 et de 1. 

Ces qubits sont l’élément de base des futurs ordi­na­teurs quan­tiques. L’exploitation de leurs pro­prié­tés quan­tiques, en par­ti­cu­lier l’intrication, peut être appli­quée à la réso­lu­tion de pro­blèmes de cal­cul com­plexes, et il pour­rait être pos­sible d’effectuer des opé­ra­tions com­pu­ta­tion­nelles beau­coup plus rapi­de­ment que les ordi­na­teurs les plus puis­sants dis­po­nibles aujourd’­hui, ce qui se tra­dui­rait par une aug­men­ta­tion expo­nen­tielle de la puis­sance de cal­cul. Les qubits peuvent être fabri­qués à par­tir de dif­fé­rentes pla­te­formes maté­rielles actuel­le­ment dis­po­nibles, comme les qubits supra­con­duc­teurs ou les atomes et ions pié­gés. D’autres méthodes à venir incluent les pro­ces­seurs quan­tiques pho­to­niques qui uti­lisent la lumière.

Des pro­grès spec­ta­cu­laires ont été réa­li­sés ces der­nières années. Néan­moins, un véri­table « avan­tage quan­tique » n’est atten­du que lorsque les ordi­na­teurs quan­tiques fonc­tion­ne­ront avec – selon les esti­ma­tions – entre quelques cen­taines de mil­liers et quelques mil­lions de qubits. On sait seule­ment aujourd’hui fabri­quer des machines avec une cen­taine de qubits, il reste donc encore un long che­min à parcourir. 

Le prin­ci­pal obs­tacle au pro­grès est la déco­hé­rence quan­tique. Celle-ci résulte de l’interaction des qubits avec leur envi­ron­ne­ment qui détruit leur intri­ca­tion. Pour l’é­vi­ter – ou du moins la limi­ter – il est géné­ra­le­ment néces­saire de les faire fonc­tion­ner à une tem­pé­ra­ture proche de 0 kel­vin et les pro­té­ger de l’en­vi­ron­ne­ment. D’un point de vue fon­da­men­tal, rien ne s’op­pose à la créa­tion d’or­di­na­teurs quan­tiques à grande échelle, mais il reste à résoudre à la fois des ques­tions scien­ti­fiques, comme celle de savoir si la déco­hé­rence peut être fon­da­men­ta­le­ment contrée, et des pro­blèmes d’in­gé­nie­rie très impor­tants, qui font l’ob­jet de vastes pro­grammes gou­ver­ne­men­taux et d’investissements pri­vés dans le monde entier.

À plus courte échéance, les espoirs reposent sur des machines moins sen­sibles à la déco­hé­rence. Il s’a­git des simu­la­teurs quan­tiques, que l’on peut voir comme des ordi­na­teurs quan­tiques dédiés dont l’architecture per­met d’optimiser cer­taines tâches spé­ci­fiques. Les simu­la­teurs quan­tiques sont par­ti­cu­liè­re­ment bien adap­tés à la recherche de « mini­ma de fonc­tions à plu­sieurs variables ». De telles machines inté­ressent de ce fait les entre­prises qui uti­lisent des réseaux com­plexes et qui cherchent à les opti­mi­ser. Ces réseaux contiennent un grand nombre de variables et un simu­la­teur quan­tique pour­rait les opti­mi­ser d’une manière qu’un ordi­na­teur clas­sique ne peut pas faire. 

La tech­no­lo­gie existe pour l’es­sen­tiel, mais la ques­tion reste de savoir pour quels pro­blèmes infor­ma­tiques la simu­la­tion quan­tique peut pré­sen­ter un réel inté­rêt éco­no­mique. Ces tech­no­lo­gies sont encore très coû­teuses et consomment beau­coup d’éner­gie. La ques­tion est plus ouverte que ne laisse pen­ser ce que l’on lit ou entend dans les médias, mais les pro­grès actuels ouvrent la voie à un foi­son­ne­ment de tech­no­lo­gies radi­ca­le­ment nou­velles. Le mes­sage que Laurent San­chez-Palen­cia essaye de faire pas­ser à ses étu­diants est qu’il faut pen­ser non seule­ment à l’or­di­na­teur quan­tique, mais aus­si à toutes les tech­no­lo­gies asso­ciées. Celles-ci peuvent sem­bler moins spec­ta­cu­laires à pre­mière vue, mais elles don­ne­ront très vrai­sem­bla­ble­ment nais­sance à de nou­velles technologies.

Le besoin de for­ma­tion à tous les niveaux dans le domaine quan­tique est criant. Depuis de nom­breuses années, l’en­sei­gne­ment de la phy­sique à l’É­cole poly­tech­nique est cen­tré sur la méca­nique quan­tique. Ain­si, tous les élèves sont for­més à cette dis­ci­pline au cours de leur pre­mière année d’é­tudes, y com­pris ceux qui ne se des­tinent pas à des études de phy­sique ou d’ingénierie par la suite. On en récolte déjà les fruits : beau­coup de start-ups déve­lop­pées aujourd’­hui en France dans le domaine quan­tique sont diri­gées par d’anciens élèves de l’É­cole polytechnique.

Afin d’anticiper le déve­lop­pe­ment des tech­no­lo­gies quan­tiques, le par­cours Quan­tum Science and Tech­no­lo­gya été créé il y a quelques années : il se concentre sur les aspects les plus modernes de la phy­sique quan­tique, en par­ti­cu­lier l’in­tri­ca­tion et son exploi­ta­tion. Ce par­cours met l’ac­cent sur le lien entre science fon­da­men­tale et déve­lop­pe­ment tech­no­lo­gique, car à l’heure actuelle, mal­gré ce que l’on peut lire dans la presse, la phy­sique quan­tique en est encore au stade du déve­lop­pe­ment, et il reste tou­jours beau­coup à comprendre.

Les pro­grammes de mas­ter et de doc­to­rat sont pilo­tés en lien étroit avec les autres écoles du cam­pus, au sein de l’Institut Poly­tech­nique de Paris. Ils visent à recru­ter les meilleurs étu­diants des meilleures ins­ti­tu­tions du monde. Les étu­diants qui rejoignent l’institut en mas­ter 1 sont direc­te­ment inté­grés dans une équipe de recherche à l’IP Paris, afin d’assurer un lien fort entre for­ma­tion et recherche. En outre, l’IP Paris pro­pose depuis peu des cours de for­ma­tion conti­nue pour les ingé­nieurs pro­fes­sion­nels qui n’ont pas béné­fi­cié d’une for­ma­tion en science quan­tique au cours de leurs études. Cette for­ma­tion est éga­le­ment impor­tante pour les start-uppers qui ont besoin de com­pé­tences tech­niques très spé­ci­fiques pour déve­lop­per des dis­po­si­tifs par­ti­cu­liers et pour les diri­geants d’en­tre­prises, qu’il s’a­gisse de PME ou d’en­tre­prises de plus grande taille.

Un aspect impor­tant du déve­lop­pe­ment du quan­tique à IP Paris est qu’il se fait main dans la main avec l’U­ni­ver­si­té Paris Saclay au sein de l’Ins­ti­tut Quan­tum-Saclay. Il per­met de coor­don­ner les actions et de pro­fi­ter des atouts com­plé­men­taires des deux ins­ti­tu­tions. Au niveau natio­nal, un nou­veau consor­tium a été créé l’an­née der­nière, finan­cé par l’A­gence natio­nale de la recherche française.

Isabelle Dumé