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Technologie : l'informatique quantique, enjeu du siècle ?



Technologie : l'informatique quantique, enjeu du siècle ?
Le président français Emmanuel Macron a annoncé, le 21 janvier 2021, un "Plan quantique" à 1,8 milliard d'euros sur cinq ans, devant mener entre autres à la construction d'un "ordinateur quantique hybride" en 2023. Cette technologie, en cours de développement par les grandes nations, commence à inquiéter des spécialistes, qui appellent à une régulation éthique. L'ordinateur quantique — couplé à l'intelligence artificielle — serait-il l'enjeu majeur du XXIème siècle ? Explications.
Depuis la fin des années 1970, l'idée de créer un ordinateur quantique est envisagée par des chercheurs, qui affirment — déjà à l'époque — que cette technologie sera la véritable "révolution technologique" du monde moderne. Au cours des années 90, l'ordinateur quantique commence à faire parler de lui concrètement, mais avec de modestes capacités. Puis, courant des années 2000, des entreprises annoncent avoir construit des super calculateurs quantiques, ce dont doutent à l'époque la plupart des chercheurs. Mais depuis quelques années, des laboratoires de recherche publique ainsi que des entreprises de pointe telles IBM, Google ou Honeywell dévoilent les premiers prototypes fonctionnels de ces machines ultra-puissantes.

Le Graal technologique moderne, source de tous les fantasmes de science-fiction, l'ordinateur quantique, serait-il en passe de devenir réalité ? Mais surtout : à quoi sa puissance de calcul servira-t-elle et pourrait-elle — comme certains chercheurs le disent — "rendre l'être humain aussi puissant qu'un dieu" ?
Un peu d'histoire des sciences… et de l'informatique

Comprendre ce qu'est un ordinateur quantique demande de connaître — même de façon basique — l'histoire dont il est issu. La physique quantique est une découverte du début du 20ème siècle. C'est en réalité la physique des particules, de l'infiniment petit. Les chercheurs de cette époque — autour de 1925 — découvrent que les propriétés des atomes, de leurs électrons et de toutes les particules à l'échelle du milliardième de mètre, sont particulières : elles ne suivent pas les mêmes règles que celles du monde macroscopique. La théorie des quanta (modélisation du comportement de l'énergie à très petite échelle), inventée à cette même époque, donne donc son nom à cette nouvelle physique.

C'est grâce à ces propriétés — étranges et déroutantes — "du monde de l'infiniment petit", que l'informatique moderne a pu se créer. Les transistors des microprocesseurs sont par exemple des métaux semi-conducteurs utilisant les propriétés de la physique quantique : des matériaux pouvant laisser passer un courant électrique ou à l'inverse l'empêcher de circuler et ainsi retenir une information binaire de type 1 ou 0. Le mot "électronique" vient d'électron…

Mais alors, en quoi un ordinateur classique, s'il utilise déjà les propriétés quantiques des matériaux dans ses composants, se différencie-t-il d'un ordinateur quantique ? La réponse est complexe mais pourrait se résumer par cette définition :

Dans un ordinateur quantique, les portes logiques qui traitent l'information sous forme de 1 et de 0 (chaque bit informatique est une valeur de 1 ou 0 dans un ordinateur classique) sont faites d’atomes un peu particulier, les atomes de Rydberg. Ces atomes ont des électrons hautement excités, qui orbitent très loin du noyau et sont donc très sensibles aux champs électromagnétiques.

Dans l’infiniment petit où interagissent ces atomes de Rydberg — propres aux ordinateurs quantiques —, les lois quantiques font que les bits se trouvent alors dans une "superposition d’états" entre 1 et 0, et s’emmêlent les uns avec les autres : ce sont des qubits et non plus des bits. Les qubits des calculateurs quantiques ont un état quantique qui leur permet de posséder une "infinité de valeurs", en théorie,  mais ils sont aussi très "fragiles" puisqu'ils ne supportent pas le contact avec le monde macroscopique. C'est cette contrainte physique qui rend la construction d'ordinateurs quantiques très difficile.

La mathématicienne, informaticienne et physicienne Julia Kemp définit ainsi un qubit : "On appelle qubit ces bits quantiques qui sont à la fois dans l’état 0 et dans l’état 1. Quand on cherche à observer un qubit, on va trouver soit un 0 ou un 1. Mais l’observation a changé l’état de la particule, en choisissant entre les deux."
Course pour atteindre la suprématie

Il y a deux ans, IBM dévoile lors du CES, le salon technologique américain annuel, le premier ordinateur quantique "transportable" : l'"IBM Q System One". Doté d'un calculateur de 20 qubits, l'engin est un cube en verre qui occupe — tout de même — un volume de 20 m3, à l'intérieur duquel — en plus des composants électroniques —, se trouvent une cuve d'hélium liquide ainsi qu'un équipement cryogénique permettant aux qubits de fonctionner à une température proche… du zéro absolu (−273,15° C).

Cette même année 2019, Google annonce avoir atteint "la suprématie quantique", en partenariat avec la Nasa et le Laboratoire national d’Oak Ridge (ORNL), grâce à un  ordinateur quantique de 54 qubits, appelé "Sycamore". La "suprématie quantique" est un seuil, à partir duquel l'ordinateur quantique devient une technologie opérationnelle, capable de réaliser des tâches qu’aucun ordinateur classique ne pourra jamais accomplir. L'annonce de Google sur les performances de son "Sycamore" — qui aurait effectué un calcul complexe en 200 secondes tandis qu'un supercalculateur non quantique ne le réaliserait qu'en 10 000 ans  — a été contestée par IBM. Selon la firme rivale de Google, leurs supercalculateurs classiques mettraient 2 jours à effectuer le calcul.
Technologie de rupture

Malgré des annonces parfois fantaisistes ou difficiles à vérifier au cours du temps — par les firmes en compétition—, la réalité des ordinateurs quantiques est désormais indéniable. Des algorithmes quantiques — dont les premiers ont été créés il y a 30 ans — sont donc utilisés par ces machines "rétro-futuristes", similaires par leur taille aux ordinateurs des années 1960.

Aujourd'hui, deux grandes voies de développement technologique sont ainsi retenues, comme le rapport "Quantique", remis au président français en janvier 2020 le stipule  :

Il en découle deux grands types de calculateurs quantiques :

— Un calculateur quantique « universel » de puissance significative appelé « LSQ » pour « Large Scale Quantum » qui serait composé de milliers de qubits logiques et aurait la possibilité de réaliser tout type de calcul quantique. Ce type de calculateur surpasserait de manière exponentielle le plus puissant des supercalculateurs actuels pour un grand nombre d’applications. Les premiers calculateurs « LSQ » ne sont pas attendus avant 2030.

— Un calculateur quantique « bruité » de taille intermédiaire appelé «NISQ » pour « Noisy Intermediate Scale Quantum », qui serait, a contrario, composé de quelques centaines de qubits physiques permettant de réaliser un certain nombre de calculs spécifiques. Ce type de calculateurs a vu le jour il y a quelques années dans des machines développées, notamment, par IBM, Google, et RIGETTI avec quelques dizaines de qubits.

Emmanuel Macron a annoncé ce 21 janvier que près de 800 millions des 1,8 milliard du "plan Quantique" investis sur 5 ans, allaient permettre de "développer un ordinateur hybride, notamment pour la chimie, la logistique, l’intelligence artificielle à l'horizon 2023".  Pour le reste, 320 millions d’euros seront consacrés aux systèmes de communication quantique, 250 millions d’euros aux capteurs quantiques, 150 millions d’euros à la cryptographie post-quantique et 290 millions d’euros seront investis dans les technologies connexes autour du quantique (lasers, cryogénie). Le chef de l'État français a précisé que si ces premières étapes doivent permettre de développer des simulateurs quantiques et plus particulièrement l'ordinateur hybride, il misait à terme sur la construction d'un véritable ordinateur quantique universel…

    A lire en complément, l'entretien avec James Der Derian : Informatique quantique : "Il y a des conséquences géopolitiques très importantes avec cette technologie"


Technologies quantiques : quelques exemples d'applications

Les technologies quantiques apportent des avantages remarquables dans les simulations chimiques et physiques, avec des applications potentielles dans l’agriculture, la découverte de nouveaux médicaments et la conception de batteries ; les algorithmes quantiques permettent des accélérations considérables dans les applications d’optimisation et d’apprentissage automatique, notamment dans les domaines de la finance, de l’énergie, de l’automobile et des sciences environnementales ; les réseaux de communication quantique peuvent améliorer à long terme la sécurisation des données sensibles. Les chercheurs estiment que cette technologie permettrait de découvrir de nouvelles exoplanètes, de créer des nouveaux modèles climatiques ou encore de concevoir de nouveaux médicaments quelques heures après le lancement d’un programme.

L’accélération de la vitesse de calcul en apprentissage automatique (intelligence artificielle) grâce aux technologies quantiques — même hybrides — permet de mieux analyser et trier les informations dans de très grandes bases de données numériques. Les bénéfices  seraient multiples, comme l'amélioration des moteurs de recherche sur Internet ou des diagnostics médicaux beaucoup plus précis. Toutes ces possibilités devraient être encadrées, selon des spécialistes du domaine, qui ont appelé dans le quotidien américain The Wall Street Journal, ce 1er février 2021, à des règles éthiques sur l'informatique quantique.
 

La maîtrise du quantique, le Graal géopolitique mondial

Maîtriser l’infiniment petit, c’est disposer d’un avantage décisif dans les supercalculateurs, donc les communications, la défense, la santé… Toutes les grandes puissances le savent. La bataille a déjà commencé.

La conquête de l’espace a marqué la guerre froide. Un demi-siècle plus tard, L l’infiniment petit est le nouveau terrain d’affrontement des nations. Le Graal que se disputent les grandes puissances, c’est l’obtention d’un ordinateur quantique, qui pulvérisera les performances des meilleurs supercalculateurs. Comme dans la guerre des étoiles, chaque Etat donne en spectacle son niveau de maîtrise technologique. Mais les enjeux vont bien au-delà des questions de prestige. « Si un pays est exclu de cette technologie, sa compétitivité sera fortement pénalisée », analyse Cyril Allouche, responsable de la R&D technologies quantiques du groupe Atos. A l’inverse, celui qui emportera la mise dotera ses grandes industries d’un redoutable avantage concurrentiel.

« Si cet ordinateur quantique permet à Tesla de commercialiser avec deux ans d’avance la batterie électrique du futur, c’est fichu pour les constructeurs européens », décrypte Florian Carrière, expert au cabinet de conseil Wavestone.
Victoires chinoises

Il y va aussi de la sécurité des Etats. Un ordinateur quantique pourra déchiffrer les communications touchant à la défense, la santé ou les brevets. Et de nouveaux risques de dépendance émergeront, notamment pour les composants entrant dans la fabrication des calculateurs quantiques, comme les lasers ou les cryostats, servant à refroidir l’ordinateur. Autant de raisons expliquant l’âpreté de cette nouvelle bataille géopolitique. Sans surprise, les deux premières économies mondiales mènent la charge. La Chine, qui propose des chaires grassement rémunérées aux pontes universitaires du monde entier, s’affiche comme la plus agressive. Elle a déjà emporté plusieurs victoires éclatantes. L’exploit, d’abord, d’établir en 2017 la première communication inviolable, utilisant les principes de la physique quantique.

« Une performance reposant sur des travaux entièrement pompés à l’Académie de Vienne », soupire un spécialiste. Puis, en décembre 2020, elle a damé le pion aux Etats-Unis en annonçant que son bijou quantique, Jiuzhang, pouvait effectuer certaines opérations jusqu’à 1 000 fois plus vite que le plus avancé des ordinateurs. L’empire du Milieu peut aussi compter sur ses géants numériques. En 2015, Ali-baba a créé son propre laboratoire quantique, avec en ligne de mire un ordinateur à 100 qubits d’ici à 2030. En 2018, Baidu et Tencent se sont dotés chacun d’un centre de recherche.
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Les Etats-Unis entendent défendre chèrement leur place de première puissance technologique. « Ils ont très vite identifié le quantique comme une technologie duale, à la fois militaire et civile, ce qui leur a permis de débloquer des fonds de la Darpa », l’agence de R&D de l’armée, observe la députée Paula Forteza, auteure d’un rapport présenté au Parlement. Une détermination renforcée par l’arrivée à la Maison-Blanche de Joe Biden, qui a inscrit l’informatique quantique dans son gigantesque plan de financement d’infrastructures. Mais l’effort vient surtout du privé : Intel, Microsoft, Google et IBM se sont engagés à marche forcée dans la course aux qubits. Entre Google et IBM, un véritable combat de coqs s’est même joué autour de la notion – contestée – de suprématie quantique. Quant aux start-up, elles sont richement financées par les capitaux de la Silicon Valley.
Atouts français

L’Europe entend cette fois ne pas manquer le coche. La prise de conscience est venue du monde de la recherche. Emmenée par l’Italien Tommaso Calarco, une coalition d’universitaires l’a appelée dès 2016 à se réveiller en signant un Quantum Manifesto. Un cri d’alarme entendu par l’exécutif européen. Au printemps 2016, le commissaire Günther Oettinger a annoncé à Delft – une des places fortes du quantique européen – avoir décroché 1 milliard d’euros pour la recherche quantique, intégrée aux programmes Flagship.

Quatre pays mènent la danse au sein de l’Union européenne : l’Allemagne, la France, les Pays-Bas et l’Autriche. Tous ont défini une stratégie à l’échelle nationale. La France, qui a dévoilé son plan en janvier, s’appuie sur ses centres universitaires de classe mondiale (In-ria, Paris-Saclay, Grenoble), sur le fabricant de supercalculateurs Atos, sur le champion de la défense Thales et sur un écosystème émergent de start-up, dont Pasqal, Quandela, Alice & Bob, Muquans…

« La France est l’un des très rares acteurs, avec les Etats-Unis, l’Australie et les Pays-Bas, qui pourraient réussir à avoir un ordinateur quantique », juge Neil Abroug, le coordinateur de la stratégie quantique pour la France.
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Parti avec un temps d’avance, le Royaume-Uni s’est doté d’un plan quantique dès 2013. Mais le Brexit complique la donne : la Commission souhaite écarter Londres de projets de recherche stratégiques, celui notamment du premier ordinateur quantique européen. Bruxelles juge le sujet trop sensible pour être partagé avec des pays non membres… Le Royaume-Uni pourrait dans ce cas se tourner vers deux grands partenaires du Commonwealth. L’Australie a déclaré le quantique cause nationale et s’est lancée sur la piste du silicium, technologie concurrente des supraconducteurs sur lesquels misent les Etats-Unis. Symbole fort, le pays a élu femme de l’année la physicienne Michelle Sim-mons. Quant au Canada, il abrite de prestigieux centres de recherche et le premier fabricant historique d’ordinateurs quantiques, D-Wave.
Frilosité européenne

Dans cet affrontement international, l’engagement des grands groupes privés sera lui aussi crucial. Et c’est là que l’Europe risque de décrocher. Certes, des fabricants de supercalculateurs européens pourraient émerger dans les dix ans. Mais la demande, elle, reste à la traîne : les grands groupes se montrent très timorés par rapport à leurs homologues américains ou asiatiques. « L’Europe n’est pas en retard mais il lui manque la puissance industrielle associée », estime Jean-Philip Piquemal, fondateur de la start-up Qubit Pharma-ceuticals.

A l’exception de Total et d’EDF en France, ou de Bayer en Allemagne, rares sont les industriels à s’être dotés d’équipes ou de projets quantiques. « Les entreprises françaises ne savent plus faire avec un horizon supérieur à quatre ans », tacle Cyril Allouche. Un manque d’allant observé aussi par Olivier Hess, directeur des programmes quantiques pour IBM France. Le géant américain a créé un club mondial d’industriels souhaitant s’acclimater au sujet, l’IBM Quantum Network. Las, les Européens ne sont qu’une poignée parmi les 149 membres, majoritairement américains, japonais et coréens. La frilosité européenne est particulièrement criante en finance. Sur les six banques internationales appartenant à ce réseau, aucune n’est européenne.

Ces milliards déversés dans les qubits

Le soutien des Etats à leur filière quantique se chiffre en milliards. L’effort le plus massif est engagé par la Chine. En 2017, le président Xi Jinping a annoncé déployer 10 milliards de dollars pour la construction d’un laboratoire d’informatique quantique. Un chiffre à prendre avec précaution : Pékin n’a pas dévoilé les détails de sa stratégie. « Pas sûr que leur plan soit si bien organisé que cela », souffle un expert.
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Aux Etats-Unis, Donald Trump a signé, en décembre 2018, un chèque de 1,2 milliard de dollars pour soutenir la recherche quantique dans les cinq ans. Outre-Atlantique, il faut surtout prendre en compte les investissements massifs initiés par les géants de la tech ainsi que les montants apportés par le capital-risque dans les start-up.

En comparaison, les montants annoncés en Europe n’ont rien de ridicules. La Commission européenne va mobiliser 1 milliard d’euros dans le cadre du programme Quantum Flagship. De plus, des financements du programme Digital Europe vont bénéficier au futur réseau de communication quantique européen et au projet de supercalculateur EuroHPC. S’y ajoutent les investissements des Etats membres. « Il faut des plans nationaux pour faire émerger plusieurs Airbus du quantique, dit Neil Abroug, le coordinateur de la stratégie française. La création d’Airbus est venue de la mise en commun de PME et d’ETI européennes. »

Signe que le sujet est pris très au sérieux, la stratégie française a été dévoilée par le chef de l’Etat. En janvier, Emmanuel Macron a annoncé un effort de 1,8 milliard d’euros sur cinq ans. « Cela nous remet à des échelles comparables à celle des Etats-Unis », juge Florian Carrière, expert au cabinet de conseil Wavestone.

L’argent ne fait pourtant pas tout : Microsoft a investi des centaines de millions de dollars sur un pari scientifique très risqué, qui semble être une impasse.

Et la start-up française Pasqal, bien moins financée que ses homologues de la Silicon Valley, mise sur son choix technologique – celui des atomes neutres – pour devancer les géants américains et sortir un ordinateur à 1 000 qubits dès 2023


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