« Si vous croyez comprendre la mécanique quantique, c’est que vous ne la comprenez pas » avait prévenu le prix Nobel Richard Feynman. A l’occasion de la dernière Longue-Vue de la Cité de l’Économie et des Métiers de Demain, créée et propulsée par la Région Occitanie, nous avons quand même essayé d’y voir plus clair. Retour sur l’histoire en deux temps de la révolution quantique et de ses perspectives.

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Tous excités de l’atome

Ces derniers temps, l’excitation frémit autour du sujet de la mécanique quantique, cette étude des phénomènes physiques qui surviennent à des échelles inférieures ou égales à celle de l'atome. « Dit simplement, la physique quantique désigne les loi du monde et de la nature à petite échelle », résume Julien Bobroff, Physicien et Professeur à l’Université Paris-Saclay, titulaire de la Chaire « La Quantique Autrement », et chercheur au Laboratoire de Physique des Solides. Par petite échelle, il faut comprendre que l’on parle de l’échelle de l’atome, de la molécule, de l’électron ou du photon.  « À cette échelle, continue-t-il, les lois de la physique ne sont plus les mêmes et l’objet se comporte différemment. Pour le dire simplement, on peut dire que la physique quantique va consister à décrire ça ».

Début 2021, la somme d’1,8 milliard d’euros a été mise sur la table par le gouvernement français, l’Europe et le secteur privé, au nom d’un grand « plan quantique ». Le 15 juin, c’était au tour d’Angela Merkel d’inaugurer le premier ordinateur quantique commercialisé par IBM. Pour Neil Abroug, Coordinateur national de la stratégie française pour les technologies quantiques, la raison de cet engouement est évident : « Dans la décennie qui vient, ou à peine au-delà, les technologies quantiques vont potentiellement disrupter un grand nombre de secteurs technologiques clés : l’industrie chimique, l’industrie des matériaux, le secteur médical, etc. ». Et si l’État se saisit du sujet, c’est que la France a tout pour sortir du lot : « en France, nous avons une recherche de très haut-niveau et très investie, avec des Prix Nobel comme Serge Haroche, ou des plus jeunes chercheurs qui rayonnent à l’international comme Sébastien Tanzilli, Eleni Diamanti ou Mazyar Mirrahimi. Nous avons également de grands industriels qui identifient des opportunités, comme Atos, Thalès, Airbus, Air Liquide, ainsi qu’un tissu de startups très développé, qui compte notamment Pasqal, Quandela, Alice & Bob, C12…».

De la première à la seconde révolution quantique

Aussi vif soit-il, l’intérêt porté à la physique quantique ne date pas d’hier : la première révolution en la matière a eu lieu il y a déjà 120 ans, au tout début du XXème siècle. C’est à cette époque, que l’on découvre les quatre lois de la physique quantique : « la dualité (un électron est une onde tant qu’il n’est pas mesuré), la quantification (ces ondes évoluent par paliers), la superposition d’état (non-mesuré, un objet quantique peut être sur deux paliers à la fois), et l’intrication (si on mélange puis sépare deux particules quantiques et qu’on les mesure, l’une sera forcément vers le haut et l'autre forcément vers le bas) »[1] , détaille Julien Bobroff. Autant de découvertes qui donnent naissance à trois types d’applications concrètes : les LEDs, les lasers, les micro-processeurs, et donc, in fine, les smartphones.

« Ce que la première révolution avait permis de faire à l’échelle de l’atome, la seconde a permis de le faire à l’échelle d’une seule particule »
Julien Bobroff

Après la première révolution quantique des années 1950-1960, la seconde révolution survient au début du 21ème siècle. « Ce que la première révolution avait permis de faire à l’échelle de l’atome, la seconde a permis de le faire à l’échelle d’une seule particule », résume Julien Bobroff. Plus précisément, le physicien cite trois champs d’applications ouverts par ces découvertes : la dualité, la quantification et l’intrication, dont les usages permettent -entre autres- de faire de l’imagerie médicale à l’échelle d’une molécule via des diamants magnétiques, de communiquer à distance des codes secrets rendus inviolables par la cryptographie quantique, ou encore de prédire l’activité des volcans grâce à une mesure ultra-fine de la gravité. « Les gravimètres quantiques atteignent des précisions inimaginables, témoigne Xavier Marie, enseignant-chercheur à l'Insa Toulouse et cofondateur de l’Institut Quantique Occitan. Ils permettent de percevoir les variations infimes liées à composition du sous-sol, et de déceler ainsi le magma, le granite, des nappes phréatiques, des nappes de pétrole, ou encore de calculer la gravité si l’on est dans les airs ».

La seconde révolution en action

« Si l’on combine tous les nouveaux paramètres découverts à la fois, on obtient un ordinateur quantique », s’enthousiasme Julien Bobroff. « En utilisant des 1 et des 0 pour désigner les états superposés d’un atome quantique, et en faisant ça avec trois atomes différents qu’on intrigue, on obtient des quantum bits. Par rapport à des bits habituels, ces quantum bits présentent toutes les combinaisons à la fois, ce qui permet de faire du traitement parallèle ». En démultipliant ainsi la force de calcul de nos machines, l’humain pourrait obtenir des gains considérables dans les calculs réalisés dans le traitement du Big data, dans la conceptions d’intelligences artificielles performantes, mais aussi dans la simulation des phénomènes de physique quantique (mécanique des fluides, nitrogénase, etc.) ce qui permettrait d’inventer de nouveaux médicaments, de meilleures piles, des panneaux photovoltaïques jamais-vu, etc. Au sein du Garage IBM Systems Monde, le CTO Xavier Vasques explique déjà travailler avec la maison mère de Mercedes Benz pour développer des matériaux alternatifs aux métaux lourds au service de la batterie du futur. « À terme, l’ordinateur quantique va également être crucial sur le sujet du changement climatique, ajoute-t-il. Et du côté de la médecine, on pourrait enfin avoir autant de protocoles que de patients, avec un traitement personnalisé pour chacun ».

« Tout cela ouvre le champ des possibles » confirme Xavier Marie. C’est en effet peu dire que le quantique fait rêver. Dans les pages du journal Le Monde, on scrute même la trace d’une boussole quantique naturelle dans les yeux des rouge-gorge, et chez Numerama, on va jusqu'à prophétiser un mélange quantique entre passé au futur. Mais repousser les limites de l’imaginable n’est pas toujours chose facile : « Parfois, les lois de la physique quantique sont un peu contre-intuitives, admet Xavier Marie. Les principes du quantique vont à l'encontre de nos habitudes : le langage binaire n’est plus “0 et 1” mais une superposition des deux. Clairement, cela change complètement la manière d’appréhender l’information ». Un point de vue partagé par Aida Todri-Sanial, Directrice de recherche au CNRS,  gagnante du prix OpenScience d'IBM, et impliquée dans la Quantum Computing Initiative (QuantUM) :  « Les algorithmes quantiques sont très différents des algorithmes classiques, explique-t-elle. Avec les machines quantiques, il faut toujours prendre en compte le bruit (c’est-à-dire les erreurs) en appliquant une certaine tolérance aux fautes, ce qui est totalement nouveau et demande une adaptation permanente ». 

L’Occitanie dans la course au quantique

Qu’attendons-nous alors pour transformer la recherche en super-machines ? « Aujourd'hui, ce sont essentiellement des équipes académiques qui maîtrisent ces technologies, ces phénomènes et ces dispositifs », explique Van Den Bossche, Directeur R&D et politique produit, Thales Alenia Space. « Il est désormais temps qu’elles passent dans le monde industriel. Sur le sujet des communications quantiques, les chinois ont battu l’Europe à la première manche. Nous devons gagner la seconde ». Une bataille qui passe, entre autres, par la formation des experts. Chez Thales, on fabrique “maison” ses spécialistes du quantique, à travers un système de binômes où les physiciens quantiques forment les ingénieurs en architecture système à leurs compétences et vice-versa. Mais aussi, et surtout, par le développement d’usages tangibles des technologies quantiques. « Nous développons systématiquement le hardware et le software en même temps pour avoir une bonne visibilité de ce que l’on fait et percevoir l’intérêt de la recherche à travers ses cas d’usages », confirme Aida Todri-Sanial. « La meilleure manière de développer nos compétences, c’est de tester la recherche sur des cas d’application concrets », complète Xavier Vasques dont l'employeur - IBM - a déjà développé 32 systèmes et annoncé une roadmap pour ses prochains développements et ses futures machines.

D’ici 2023, IBM s’est fixé comme objectif de créer un ordinateur quantique 1000 qubits (en 2016, son processeur quantique atteignait seulement 5 qubits, aujourd’hui elle atteint les 65).

« Regarder un atome le change, regarder l'homme le transforme, regarder l’avenir le bouleverse »
Gaston Berger

En Occitanie, la motivation est là pour se positionner en bonne place dans la course au quantique : comme le souligne la directrice générale déléguée de la Région Occitanie Josick Paoli, le philosophe et scientifique Gaston Berger disait déjà « regarder un atome le change, regarder l'homme le transforme, regarder l’avenir le bouleverse ». Et avec les dernières avancées dans le domaine du quantique, ces trois entités -l’atome, l’homme et l’avenir- n’ont peut-être jamais été autant liés.

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