Pourquoi États et entreprises courent après le quantique

Cet arti­cle a été pub­lié en exclu­siv­ité dans notre mag­a­zine Le 3,14 sur le quan­tique.
Décou­vrez-le ici.

Le prési­dent Macron a récem­ment annon­cé le Plan Quan­tique français, promet­tant 1,8 mil­liard d’eu­ros pour la recherche quan­tique au cours des dix prochaines années. En tant que chercheur dans le domaine de la physique quan­tique, pou­vez-vous nous expli­quer pourquoi le gou­verne­ment français accorde autant d’at­ten­tion à ce domaine en ce moment ? 

Landry Bretheau. Parce que c’est en ce moment que ça se passe ! Nom­breux sont ceux qui pensent que nous entrons dans la sec­onde révo­lu­tion quantique.

Il faut d’ailleurs garder à l’e­sprit que la pre­mière s’est pro­duite dans les années 1920–30, grâce aux travaux de sci­en­tifiques aus­si con­nus qu’Einstein ou Planck. À l’époque, il s’agis­sait d’abord d’une révo­lu­tion con­ceptuelle, qui s’est pro­duite lorsque l’on a réus­si à com­pren­dre des notions telles que la « dual­ité onde-par­tic­ule », le « ray­on­nement du corps noir » ou l’« inter­ac­tion lumière-matière ». Avant l’ar­rivée de la physique quan­tique, les sci­en­tifiques ne pou­vaient pas expli­quer ces phénomènes. Leurs décou­vertes ont don­né nais­sance à des tech­nolo­gies révo­lu­tion­naires qui ont fait entr­er l’ingénierie dans l’ère numérique, comme les lasers ou les tran­sis­tors. Ces derniers per­me­t­tent de con­trôler les sig­naux élec­tron­iques, et sont à la base des processeurs informatiques.

Il y avait cepen­dant un aspect qui prê­tait à con­fu­sion pour les chercheurs : le con­cept d’« intri­ca­tion quan­tique ». Sans trop entr­er dans les détails, on a longtemps ignoré si l’in­tri­ca­tion qu’ils prédi­s­aient était un phénomène naturel, ou si elle était due à une mau­vaise com­préhen­sion de la physique quan­tique. Nous savons aujourd’hui qu’elle est naturelle, et ce grâce aux expéri­ences qui ont été réal­isées sur des objets quan­tiques indi­vidu­els, comme celles du pro­fesseur Alain Aspect, con­sid­éré comme un pio­nnier du domaine. Il a d’ailleurs joué un rôle très impor­tant dans la pro­mo­tion de la sec­onde révo­lu­tion quan­tique et dans la con­sti­tu­tion du plan quan­tique avec le gouvernement.

Quelle est l’im­por­tance d’une telle proposition ? 

En bref, le Plan Quan­tique est cen­tral parce qu’il y a une promesse de nou­velles tech­nolo­gies. Main­tenant que le phénomène de l’in­tri­ca­tion est bien établi, il est pos­si­ble d’en­vis­ager de futures appli­ca­tions util­isant des tech­nolo­gies quan­tiques pour le cal­cul, les com­mu­ni­ca­tions, la détec­tion et la sim­u­la­tion, avec des retombées poten­tielles dans les domaines de l’én­ergie, de la san­té et de la sécu­rité. Mais le prin­ci­pal argu­ment de vente, c’est l’ordi­na­teur quan­tique.

Beau­coup de gens auront enten­du par­ler des ordi­na­teurs quan­tiques sans savoir ce qu’ils sont, et il faut dire que le mot « ordi­na­teur » est légère­ment trompeur. Il est peu prob­a­ble que nous voyions à l’avenir un ordi­na­teur quan­tique uni­versel qui rem­plac­era le PC ou le smart­phone, par exem­ple. Les ordi­na­teurs quan­tiques sont en fait des super-cal­cu­la­teurs, capa­bles d’exé­cuter des algo­rithmes quan­tiques spé­ci­fiques et puis­sants beau­coup plus rapi­de­ment qu’un processeur ordinaire.

L’idée est d’ex­ploiter des phénomènes quan­tiques tels que la super­po­si­tion et l’in­tri­ca­tion pour effectuer des cal­culs plus rapi­de­ment. Un ordi­na­teur quan­tique manip­ule l’information en util­isant un grand nom­bre de bits quan­tiques, qui peu­vent être pré­parés dans des états mas­sive­ment intriqués. Cela per­met d’en­coder plusieurs résul­tats de cal­cul en une seule étape, grâce à un phénomène con­nu sous le nom de « par­al­lélisme quan­tique ». Cela peut con­duire à une accéléra­tion quan­tique pour des algo­rithmes spé­ci­fiques, tels que la fac­tori­sa­tion en nom­bres pre­miers, qui est à la base du cryptage RSA. Cette méth­ode de chiffre­ment est très large­ment util­isée pour échang­er des don­nées con­fi­den­tielles sur Inter­net, en par­ti­c­uli­er dans les trans­ac­tions ban­caires. Il est extrême­ment dif­fi­cile pour un ordi­na­teur stan­dard de cass­er le chiffre­ment RSA, mais un ordi­na­teur quan­tique pour­rait le faire bien plus rapi­de­ment, et ain­si décoder des com­mu­ni­ca­tions cryptées.

Cette tech­nolo­gie présente donc un intérêt tout par­ti­c­uli­er pour le secteur de la défense mil­i­taire. Le fait que cer­tains États acquièrent cette capac­ité pour­rait pos­er d’importants prob­lèmes de sécu­rité mil­i­taire, et c’est pour cette rai­son que le min­istère améri­cain de la Défense finance mas­sive­ment un pro­gramme de recherche sur l’in­for­ma­tique quantique. 

Les États (Chine, États-Unis) et les entre­pris­es (Google et Face­book) les plus puis­sants investis­sent déjà dans l’in­for­ma­tique quan­tique. Y a‑t-il vrai­ment une chance pour que la France arrive à suiv­re le rythme ? 

Depuis 2018, les États-Unis ont annon­cé un investisse­ment de 2 mil­liards de dol­lars dans la recherche et la Chine aurait dépen­sé au moins 10 mil­liards pour son Lab­o­ra­toire nation­al des sci­ences de l’in­for­ma­tion quan­tique. Des finance­ments ont égale­ment été prévus en Europe . L’Alle­magne a lancé son pro­gramme il y a trois ans et l’UE finance le pro­jet Quan­tum Flag­ship depuis 2018, en offrant 1 mil­liard d’eu­ros pour les dix prochaines années. Donc, oui, le Plan Quan­tique, qui s’appuie sur la recherche d’excellence déjà présente en France, nous per­me­t­tra de suiv­re le rythme : nous ne sommes pas les pre­miers, mais nous restons extrême­ment bien placés. 

Par ailleurs, le secteur privé français sera égale­ment impliqué. Des entre­pris­es nationales et européennes comme Total ou Air­bus ont promis d’in­ve­stir. Et des start-ups appa­rais­sent dans tout le pays ; Quan­dela, Pasqal et Alice & Bob pour n’en citer que trois, sont des spin-off de lab­o­ra­toires de recherche français. Jusqu’à présent, per­son­ne ne dis­pose d’un ordi­na­teur quan­tique pleine­ment opéra­tionnel, avec une puis­sance de traite­ment sig­ni­fica­tive. Google est par­mi les plus avancés, avec un processeur lim­ité à 53 bits quan­tiques. Il s’ag­it d’un véri­ta­ble tour de force expéri­men­tal, mais il est encore trop petit pour être véri­ta­ble­ment utile. 

Vous pour­riez dire : « Oh, eh bien, ajou­tons juste plus de qubits pour ren­dre le processeur plus puis­sant », mais il y a un prob­lème. Les états quan­tiques sont très frag­iles – plus vous en avez, moins ils sont sta­bles. C’est pourquoi les ordi­na­teurs quan­tiques doivent être forte­ment con­finés. Mais cela crée en soi un para­doxe, car plus ils sont con­finés, plus il nous est dif­fi­cile de com­mu­ni­quer avec eux pour con­trôler ce qu’ils font. 

Qu’est-ce que cela sig­ni­fie pour la recherche française en physique quantique ? 

Ce n’est pas demain que nous aurons un ordi­na­teur quan­tique. Mais un finance­ment comme celui-ci est une chance. Nous n’au­rons peut-être pas un ordi­na­teur quan­tique pleine­ment opéra­tionnel dans dix ans, mais il est cer­tain que nous décou­vrirons d’autres choses pas­sion­nantes en cours de route. Et même lorsque nous en créerons un, il est peu prob­a­ble qu’il s’agisse d’un objet du quo­ti­di­en. Les ordi­na­teurs quan­tiques seront plus prob­a­ble­ment des out­ils stratégiques, ser­vant des besoins très spé­ci­fiques, comme la recherche fon­da­men­tale, la R&D, ou la défense.

D’ailleurs, les inno­va­tions ne se fer­ont pas qu’au niveau du hard­ware, c’est-à-dire des machines physiques : il y a aus­si un besoin de nou­velles idées sur le plan soft­ware. La recherche théorique, à l’in­ter­face entre la physique, l’in­for­ma­tique et les math­é­ma­tiques, doit ain­si décou­vrir de nou­veaux algo­rithmes per­me­t­tant une accéléra­tion quantique.Un tel finance­ment est donc très encour­ageant pour les jeunes qui entrent sur le marché du tra­vail ! Il peut leur per­me­t­tre d’orienter leur par­cours pro­fes­sion­nel, et de se diriger vers une car­rière de chercheurs ou d’ingénieurs quan­tiques. Et pour les plus impa­tients, nous pou­vons quand même rap­pel­er qu’il existe déjà des ordi­na­teurs quan­tique IBM acces­si­bles sur le cloud. Même si leurs per­for­mances restent assez lim­itées, ils per­me­t­tent aux étu­di­ants de se famil­iaris­er avec l’informatique quan­tique, et de réalis­er leurs pre­miers travaux !

Propos recueillis par James Bowers