Pourquoi États et entreprises courent après le quantique

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