Le 21 janvier 2021, le Président de la République Française, Emmanuel Macron, a lancé, lors d’une allocution à l’Université Paris-Saclay, la Stratégie Nationale sur les technologies quantiques. Cette stratégie vise à renforcer la position de la France comme un acteur de premier plan de ces technologiques quantiques aux niveaux européen et international. Pour cela, cette stratégie représente un engagement global de 1,8Mds€ d’ici 2025 avec pour objectif de mettre à disposition des chercheurs, des industriels et des start-up des moyens conséquents afin de faciliter le passage à l’échelle, de positionner la France sur l’ordinateur quantique et d’investir massivement dans les secteurs connexes impactés comme les communications, les capteurs ou la cryptographie. 

Cette stratégie doit permettre la création de 16.000 emplois à horizon 2030 et un doublement du nombre de thèses (200 nouvelles thèses et 200 post-docs par an d’ici 2025). Elle propose également un soutien à l’entrepreneuriat à hauteur de 120M€, sous la forme d’abondement de fonds dédiés aux start-up, que ce soit en série A, B ou C et un soutien à la recherche via un Programme et Equipements Prioritaires de Recherche (PEPR) doté de 150M€. On le voit, ce plan s’annonce ambitieux et mise sur une coordination de tous les acteurs : institutions publiques, recherche, grandes entreprises et start-up. Dans le même temps, les levées de fonds records aux Etats-Unis attisent de plus en plus la gourmandise des acteurs français du quantique.  

En 2018, Unitec avait produit une note de veille sur l’ordinateur quantique. Trois ans plus tard, compte tenu de l’actualité chaude, il nous semble intéressant de revenir sur le sujet. Après un retour nécessaire sur les préceptes de la théorie quantique, nous nous intéresserons aux grands enjeux de demain. 

Retour sur les technologies quantiques 

Les technologies quantiques dont nous allons évoquer les principes dans cette note de veille appartiennent à ce que l’on appelle la deuxième révolution quantique. Historiquement, nous profitons aujourd’hui des découvertes liées à la première révolution quantique. Rien qu’un exemple : le rayon laser. Celui qui permet de lire l’information disponible sur les CD ou qui permet de transmettre l’information par fibre optique est une invention liée à la découverte du principe d’émission stimulée par Albert Einstein au début du XXème siècle. Mais nous pourrions également citer le transistor et les circuits intégrés aujourd’hui à la base des produits électroniques que nous utilisons tous les jours.  

La révolution quantique prend une nouvelle dimension au début des années 1980, lorsque Alain Aspect et son équipe parviennent à démontrer le principe d’intrication quantique énoncé par Schrodinger et Einstein dans les années 1930. Cette seconde révolution numérique, encore en chantier aujourd’hui, nous promet un bouleversement du monde tel que nous le connaissons.  

Les technologies quantiques regroupent toutes les méthodes nécessaires à la production d’outils dont le fonctionnement repose sur l’une des deux propriétés quantiques suivantes : la superposition quantique d’états d’un objet physique et l’intrication quantique de plusieurs sous-parties de cet objet. Voyons rapidement en quoi les deux propriétés consistent.  

– La superposition quantique 

Contrairement au monde physique à l’échelle duquel nous vivons et où il est impossible pour un objet d’être physiquement à deux endroits en même temps et où chaque objet est caractérisé par un ensemble de grandeurs bien définies (comme la position, la vitesse ou la masse), à l’échelle quantique (au niveau subatomique), il est possible de placer des objets dans plusieurs états simultanément. On dit que l’objet est dans une superposition quantique d’états. 

Schématiquement, ce principe stipule que si une particule – un électron, un photon ou un proton (ou toute autre particule élémentaire) – peut se trouver en un point A ou en un point B, alors il se trouve en A et en B. De même, si un électron peut aller à 4000 km/s ou à 1000 km/s, il va à ces deux vitesses à la fois. Les états sont dits « superposés ». Plus exactement, chaque particule élémentaire se trouve simultanément dans une infinité de position et c’est son observation qui lui confère une position caractéristique. En d’autres termes, tant que nous n’observons pas la particule, son positionnement ne peut être que supputé sous forme d’une probabilité (appelé fonction d’onde).  

Cette propriété quantique est à la base de ce que l’on appelle l’informatique quantique. Nous y reviendrons plus loin. 

– L’Intrication Quantique 

En appliquant le principe de superposition à un système composé de plusieurs objets pouvant chacun se trouver dans plusieurs états possibles, on peut aboutir à des états quantiques appelés états intriqués.  

L’intrication (ou enchevêtrement) est un phénomène quantique dans lequel deux particules au moins partagent les mêmes propriétés. Quand on mesure l’état de l’une d’entre elles, les autres particules intriquées prennent instantanément la même valeur, indépendamment de la distance entre elles. 

En 2017, une équipe chinoise a battu le record de distance entre deux particules intriquées, des photons émis par le satellite Micius. Les chercheurs les ont séparés puis captés dans deux stations au sol, distantes de 1 200 km. Même après ce périple, ils étaient toujours « enchevêtrés ». L’intrication sert de socle au développement de nouvelles technologies appliquées comme les ordinateurs et simulateurs quantiques, la cryptographie quantique et la téléportation quantique. 

Le chat de Schrodinger : une expérience de pensée 

Erwin Schrödinger a imaginé, en 1935, une expérience de pensée dans laquelle un chat est enfermé dans une boîte avec un dispositif qui tue l’animal dès qu’il détecte la désintégration d’un atome d’un corps radioactif ; par exemple : un détecteur de radioactivité type Geiger, relié à un interrupteur provoquant la chute d’un marteau cassant une fiole de poison — Schrödinger proposait de l’acide cyanhydrique, qui peut être enfermé sous forme liquide dans un flacon sous pression et se vaporiser, devenant un gaz mortel, une fois le flacon brisé.  

Si les probabilités indiquent qu’une désintégration a une chance sur deux d’avoir eu lieu au bout d’une minute, la mécanique quantique indique que, tant que l’observation n’est pas faite (ou plus précisément qu’il n’y a pas eu de réduction du paquet d’onde), l’atome est dans une superposition de deux états : intact et désintégré. Or le mécanisme imaginé par Erwin Schrödinger lie l’état du chat (mort ou vivant) à l’état des particules radioactives, de sorte que le chat serait aussi dans une superposition d’états (l’état mort et l’état vivant), jusqu’à ce que l’ouverture de la boîte (l’observation) déclenche le choix entre les deux états. Par conséquent, il est impossible de dire si le chat est mort ou non au bout d’une minute.  

La difficulté principale tient donc dans le fait que si l’on est généralement prêt à accepter ce genre de situation pour une particule, l’esprit refuse d’accepter facilement une situation qui semble aussi peu naturelle quand il s’agit d’un sujet plus familier comme un chat. 

Source : Wikipédia 

Le chat de Schrodinger : vivant ? Mort ? Ou les deux à la fois ?

Quantique : Les secteurs concernés par cette technologie

Capteurs Quantiques : un marché adressable dès aujourd’hui 

Le premier secteur d’activités concernées par les technologies quantiques est celui des capteurs quantiques et de la métrologie. Un capteur quantique est un capteur qui utilise les propriétés de la physique quantique pour mesurer des ordres de grandeur avec une très grande précision. En effet, les états quantiques des particules élémentaires (photons, électrons, ions, …) sont ultra sensibles à la moindre variation de l’environnement. En dotant les capteurs des propriétés de la physique quantique, il est possible de mesurer toute variation infinitésimale de différentes grandeurs.

Les avancées sont telles qu’en 2018, la Conférence générale des poids et mesures a redéfini le système international des mesures afin de redéfinir (et d’affiner) quatre grandeurs : le kilogramme, l’ampère, le kelvin et la mole. A titre d’exemple, le kilogramme qui jusqu’alors était lié au kilogramme physique est dorénavant lié à une formule mathématique quantique, beaucoup plus précise.  

Les technologies quantiques permettent à une nouvelle générations de capteurs d’atteindre ce que l’on appelle la « limite quantique ». Les progrès sont tels qu’aujourd’hui de nombreuses avancées à la frontière entre la recherche fondamentale et le développement sont possibles. Les horloges atomiques, par exemple, permettent grâce aux principes de la physique quantique d’obtenir des horloges d’une précision d’une seconde sur un milliard d’années. Outre la mesure ultraprécise du temps, l’horloge atomique se retrouve dans des technologies comme les GPS (le projet européen Galileo embarquant jusqu’à 4 horloges atomiques). Le domaine des accéléromètres est également impacté par les découvertes en matière quantique. Le refroidissement des atomes par laser (de l’ordre de quelques millionièmes de degré au-dessus du zéro absolu) permet d’accomplir de nombreuses expériences qui n’étaient jusque-là que des expériences de pensée, comme des interférences d’ondes de matière. 

L’entreprise Muquans, installée à l’IOGS sur le campus de Talence après avoir été accompagnée par Unitec, a développé un gravimètre, appareil quantifiant le champ de pesanteur, basé sur les principes quantiques. Par refroidissement d’atomes par laser, le gravimètre quantique de Muquans est capable de détecter les mouvements du magma en fusion et ce de l’ordre du millionième en fonction de la composition du sous-sol terrestre. C’est la raison pour laquelle, l’entreprise a installé l’un de ses appareils au sommet de l’Etna en Sicile, dans le cadre du projet Newton-g. Le recours au gravimètre quantique permet d’estimer les variations de masse qui peuvent se produire lorsque le magma remonte vers la surface. Par ailleurs, ce même gravimètre pourra estimer la valeur absolue de l’accélération de la pesanteur, c’est-à-dire l’accélération subie par un corps lorsqu’il est en chute libre.  

Autre avancée non négligeable dans la recherche quantique, l’utilisation des propriétés du diamant synthétique (dont celle de mesurer des champs magnétiques de très faible intensité) permettront notamment le développement de capteurs biologiques comme ils ont révolutionné l’imagerie par résonnance magnétique. 

Simulateurs Quantiques 

Autre domaine dans lequel la physique quantique apporte son lot de découvertes et de progrès, celui des simulateurs. D’après le SIRTEQ, « ce sont des systèmes quantiques épurés, réglables et faciles à contrôler et à observer, qui peuvent mimer et donc révéler le comportement inconnu et incalculable de systèmes quantiques réels à grand nombres de particules. Ils permettent d’introduire progressivement le désordre qui existe dans le système réel et même d’explorer des paramètres irréalisables autrement. Ils trouvent leur application en physique des solides, en chimie quantique, et même en astrophysique ». Certains vont même jusqu’à se demander si l’univers dans son ensemble ne serait pas une simulation informatique ou plus précisément « un ordinateur, plus généralement une machine de Turing universelle capable de calculer et générer un rendu de l’univers dans lequel nous évoluons ». 

Pour atteindre ces niveaux de simulation, le recours à l’ordinateur quantique est nécessaire. C’est ce que propose l’entreprise Alice&Bob. Entreprise française spécialisée dans la conception d’un ordinateur quantique en utilisant des circuits supraconducteurs à base de transmon, qui est un Qubit de charge supraconducteur réputé pour réduire la sensibilité au bruit de charge, elle présente son projet comme suit :

« Selon nous, la simulation numérique de matériaux ou de structure moléculaire est le domaine d’application le plus intéressant. L’informatique quantique y laisse entrevoir un monde de possibilités à impact significatif. Ainsi, même si l’on connaît parfaitement les règles qui régissent les molécules et les matériaux, il est presque toujours impossible de prédire exactement les propriétés de ces derniers. Celles-ci découlent de la mécanique quantique et seul un ordinateur quantique peut les révéler précisément. Selon vous, à quoi le monde ressemblera lorsque la conception des matériaux et des médicaments deviendra un problème d’ingénierie et non plus une science empirique ? ».  

Pasqal est un autre acteur français qui travaille sur la simulation quantique. Spin-off de l’Institut d’optique de Palaiseau, installé à Saclay, Pasqal développe un simulateur quantique qui sera capable de manipuler jusqu’à 100 qubits en cette fin d’année. Associé à ATOS depuis l’année 2020, Pasqal a pour ambition de faire de la France l’un des acteurs de premier plan dans la course à l’ordinateur quantique et souhaite concurrencer les géants Google et IBM, qui ont, par ailleurs, successivement annoncé, avoir atteint la suprématie quantique. 

Définition d’un Qubit

En informatique quantique, un qubit est un système quantique à deux niveaux qui représente la plus petite unité de stockage d’information quantique. Ces deux niveaux, notés | 0 ⟩ et | 1 ⟩, représentent chacun un état de base du qubit. Grâce à la propriété de superposition quantique, un qubit stocke une information qualitativement différente de celle d’un bit classique. D’un point de vue quantitatif, la quantité d’information gérée par un qubit est virtuellement plus grande que celle contenue dans un bit, mais elle n’est accessible qu’en partie au moment d’une mesure.

Source : Wikipédia

Thalès, un acteur phare du quantique en France 

Le Groupe Thalès est un des leaders mondiaux des hautes technologies. Présent dans plus de 70 pays et fort de 80.000 collaborateurs, le fleuron de l’industrie française consacre chaque année un milliard de dollars en recherche et développement, notamment dans la recherche quantique. 

3 grandes technologies sont au cœur de la stratégie quantique de Thalès.  

• Les capteurs quantiques tout d’abord avec les dispositifs supraconducteurs à interférence quantique, les capteurs quantiques à l’état solide et les ions terre-rare permettant de caractériser et traiter les signaux radiofréquences ou optiques. 
• Les communications quantiques dont l’objet est de rendre les communications inviolables et d’articuler le futur réseau d’objets quantiques. 

• La cryptographie post-quantique qui permettra de protéger les systèmes informatiques des attaques dites quantiques reposant sur la capacité de ces super-ordinateurs à briser les chiffrements actuels. 

Communications Quantiques 

Le but des communications quantiques est de transférer un état quantique d’un endroit à un autre. De tels états portent de l’information quantique, ce qui permet d’effectuer des tâches impossibles à atteindre avec des moyens purement classiques de transfert et de traitement de l’information. Elles reposent sur la propagation de photons (grains de lumière) dans des superpositions d’états, ou de paires de photons intriqués. Elles ont pour application (i) la sécurisation des communications par cryptographie quantique, (ii) l’interfaçage de systèmes quantiques distants devant partager un certain degré d’intrication, (iii) ou le transfert d’état quantique entre des systèmes physiques de nature différente. 

Un des exemples est la distribution quantique de clés (QKD). Ce protocole permet l’échange d’un message secret entre deux interlocuteurs, avec un niveau de sécurité indépendant des capacités d’un espion éventuel, contrairement aux algorithmes cryptographiques utilisés dans les réseaux de communication actuels. Concrètement, le QKD fonctionne en demandant à l’une des deux parties de chiffrer une donnée classique en codant la clé de cryptographie sur des qubits. L’expéditeur transmet ensuite ces qubits à l’autre personne, qui les mesure afin d’obtenir les valeurs de la clé. La mesure entraîne l’effondrement de l’état du qubit ; mais c’est la valeur qui est lue pendant le processus de mesure qui est importante. Le qubit, d’une certaine manière, n’est là que pour transporter la valeur clé. De plus, autre propriété intéressante pour la sécurisation des échanges d’informations à distance, si un hacker parvenait à lire les Qubits lors de leur transport, cela modifierait instantanément l’état de ces Qubits.  

A cause de son importance pour les applications concrètes, la cryptographie quantique s’est développée aussi bien théoriquement (preuves de sécurité, critères de validation des appareils) qu’expérimentalement (systèmes de plus en plus performants). 

Quandela est l’un des acteurs français les plus actifs sur ce sujet. Basée à Marcoussis, elle est spécialisée dans la création de sources de photons uniques destinées au monde de la recherche, des télécommunications et du calcul quantique. Avec un seul atome piégé contrôlé (quantum dot), elle arrive à générer des trains de photons bien séparés dans le temps. Ses sources de photons peuvent servir dans la cryptographie quantique notamment. 

Et demain ? 

Des technologies encore difficiles à maîtriser … 

Si certaines technologies sont aujourd’hui parfaitement exploitables (on pense aux technologies liées à la première révolution quantique où plus récemment à celles liées aux capteurs quantiques commercialement viables), d’autres (comme l’ordinateur quantique) sont encore loin d’être concrètes. 

L’ordinateur quantique est aujourd’hui plus une promesse qu’une réalité. Une promesse que certains qualifient de chimère à l’image de Serge Haroche pour qui le problème du bruit quantique (ou bruit de grenaille) est un frein à la quête de l’ordinateur quantique universel. 

Pourtant, pour les plus optimistes comme Google ou Microsoft, nous sommes à une dizaine d’année de pouvoir exploiter un ordinateur quantique suffisamment puissant et fiable et ainsi bouleverser le système actuel. Aujourd’hui, IBM et Google détiennent le record du nombre de qubits utilisés par un ordinateur quantique avec 127 qubits pour Eagle d’IBM. Des géants comme Microsoft, Intel et Honeywell sont également dans la course de l’ordinateur quantique. 

NaQuiDis : le hub quantique néo-aquitain 

L’Institut d’Optique Graduate School, l’Université de Bordeaux, l’Université de Limoges, le CNRS, ainsi que le pôle de compétitivité ALPHA – Route des Lasers & des Hyperfréquences et la Région Nouvelle-Aquitaine, se sont associés pour créer NaQuiDis Center. Officiellement lancé le 4 mars 2021, le centre d’innovation en technologie quantique néo-aquitain NaQuiDis développe des projets de recherche en technologies quantiques, des applications innovantes ainsi que des solutions technologiques dans les domaines des capteurs quantiques, de la communication et de l’informatique quantique. Doté de 10 M€ sur 4 ans, et porté par l’Institut d’Optique Graduate School, il est financé à 50% par la Région Nouvelle-Aquitaine.  

Ce centre quantique régional regroupe des scientifiques de renommée internationale. Il agrège recherche fondamentale et développement applicatif autour des technologies quantiques. Il développera des projets de recherche de haut niveau, avec un objectif de transfert de technologie et de création de nouvelles entreprises sur le territoire. Son but : imaginer les applications et les produits quantiques de demain, en soutenant le développement d’une recherche d’exception, au plus haut niveau international.  

Le centre est articulé autour de 3 grandes thématiques qui viendront consolider la recherche régionale dans le domaine du quantique, pour lui donner une compétitivité au niveau international : les capteurs quantiques, les composants et architecture et l’ingénierie logicielle et la communication quantique. 

Source : NaQuiDis 

… mais des espoirs pour un futur plus ou moins proche 

Mais au-delà de la course à l’ordinateur quantique, d’autres secteurs d’activités pourront être impactés par cette deuxième révolution numérique. 

Premièrement, le Supply Chain Management est l’un des domaines en forte attente. D’ici dix à quinze ans, ce secteur d’activités pourra bénéficier des avancées technologiques permettant d’anticiper et de résoudre des problèmes très complexes liés à la chaine d’approvisionnement. 

Selon Stéphane Bedacier, le quantique sera précieuse pour :  

• Une optimisation locale très complexe (au-delà de plusieurs variables logiques dans l’optimisation combinatoire et la recherche opérationnelle). 
• Une optimisation globale de la Supply Chain en tenant compte de toutes les optimisations locales en silos (approvisionnement, production, distribution, reverse logistique). 
• Une optimisation de la prévision du niveau des stocks dans un magasin comportant des saisonnalités. 
• Une optimisation du transport (optimisation de remplissage des camions à 100% sur une typologie de produits semi finis ou finis, de matières premières …). 
• Un pilotage et une optimisation du réseau de distribution omni-channel en temps réel. 

Afin d’illustrer cela, nous pouvons citer le construction japonais Toyota qui optimise sa chaine d’approvisionnement grâce aux puces pseudo-quantiques élaborées par Fujitsu permettant de calculer en 30 minutes des itinéraires d’approvisionnement optimaux en prenant en compte plus de 3 millions de routes de livraison possibles. 

On retrouve cette même volonté chez BMW qui n’hésite pas à signer des partenariats avec des entreprises proposant (Honeywell et Entropica Labs) des solutions quantiques pour améliorer sa chaîne logistique d’approvisionnement. 

La santé est également un secteur phare pour le développement de solutions quantiques. Les ordinateurs quantiques permettront, par exemple, de simuler des molécules de plus en plus complexes, de les contrôler sans les altérer, mais aussi les interactions entre médicaments ou tout simplement de créer de nouveaux médicaments (Qubit Pharmacuticals). De nombreux laboratoires s’associent avec des entreprises développant des solutions quantiques, comme Boehringer avec Google. 

Autre branche de la santé, la biologie quantique est en plein développement : protéines, antibiotiques, ou d’autres phénomènes ou organismes fonctionnent selon des principes quantiques. 

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Enfin, en guise de conclusion et pour se projeter un peu plus dans l’avenir, nous ne pouvons pas ne pas mentionner l’ultime challenge de la physique quantique, basé sur le principe de l’intrication (pour rappel, deux particules sont liées entre elles, de façon à ce qu’une information partagée avec l’une soit partagée avec l’autre exactement en même temps) : la téléportation. 

Contrairement à la téléportation telle qu’elle est vécue par l’équipage de l’Enterprise dans la série Star Trek, il s’agit ici d’une téléportation de particules de lumière : les photons. Dernièrement, une équipe de la NASA a réussi à réaliser une téléportation de Qubits photons sur 44 kilomètres de fibre optique avec 90% de fiabilité. 

Cette prouesse ouvre la porte à l’internet du futur : l’internet quantique, un projet porté par les Etats-Unis qui n’ont pas hésité à investir 1 milliard de dollars dans un projet de développement. De son côté, la Chine ne compte pas se faire distancer par le Pays de l’Oncle Sam et s’apprête à produire un ordinateur quantique 100 billions de fois plus rapide que le supercalculateur le plus avancé du monde.  

L’informatique quantique est déjà le nouveau terrain de conflit entre les deux géants. Et l’Europe, au milieu de tout ça ? Le continent abrite de superbes entreprises (on pense notamment à Atos) mais sans une politique volontariste claire, il regardera, de loin, la partie se jouer sans lui. 

Nous tenons à remercier Audrey Durand, Hub Manager de Naquidis et Olivier Ezratty pour leurs conseils avisés. Nous vous conseillons la lecture de l’excellent (et très complet) ebook rédigé par Olivier : Understanding Quantum Technologies 2021 (https://www.oezratty.net/wordpress/2021/understanding-quantum-technologies-2021/)