Les technologies quantiques ou la nouvelle ruée vers l’or

La physique quantique ne date pas d’hier, mais elle fait l’objet de toutes les convoitises depuis quelques années, tant et si bien qu’elle est souvent considérée comme le nouveau Graal des prochaines décennies, en particulier dans le cadre de la construction d’un ordinateur quantique. Et si ce domaine est tant prisé, c’est qu’une fois domptée, la technologie quantique permettrait d’établir des calculs capables de résoudre des problèmes bien plus complexes que les tâches aujourd’hui traitées par les ordinateurs dits « classiques », cela s’entend. De fait, un marché immense est en jeu. La revue Nature fait état de la situation.

La course au Graal

Aussi quand Google déclarait en octobre 2019, avoir réussi à faire fonctionner son ordinateur quantique – Sycamore – l’affaire faisait grand bruit. Si pour certains l’expérience était comparable au premier vol en avion – qui pour rappel n’a duré que 12 secondes – d’autres, et plus précisément les spécialistes d’IBM, avaient contesté les travaux de Google. Jusqu’à expliquer dans un communiqué que le calcul effectué par l’équipe de Mountain View était parfaitement réalisable par un ordinateur classique, et de ce fait, ne pouvait être considéré comme appartenant au domaine du quantique. Leur analyse reprenait pour fondement les recherches de John Preskill, à l’origine de la définition de la suprématie quantique, et qui suppose que pour l’atteindre un ordinateur dit « quantique » devrait être en mesure de réaliser un calcul complexe, hors de portée pour un ordinateur classique.

Le physicien s’était lui-même prononcé à cette occasion, certes modérant l’exploit de Google, mais considérant tout de même qu’il s’agissait d’une avancée. Ne serait-ce que pour avoir démontré que leur machine, tantôt reconnue comme un ordinateur, tantôt considérée comme un simple calculateur – car loin de pouvoir intégrer les algorithmes relatifs à la physique quantique selon certains – peut « fonctionner ».

Si le sujet échauffe autant les esprits, c’est qu’il y a quelques liasses de billets à la clé, et plus important encore, un marché colossal, laissant ainsi certains considérer la recherche quantique comme la nouvelle ruée vers l’or. La comparaison n’est sans doute pas si absurde, tant l’avenir quantique est encore incertain dans les années à venir. Si tout le monde est assuré des résultats révolutionnaires qu’une telle technologie pourrait apporter, le temps nécessaire pour atteindre les résultats escomptés n’en est pas moins approximatif.

Parmi les investisseurs convaincus néanmoins, on retrouve les grands de la Tech, outre Google et IBM déjà cités, on retrouve Microsoft, Tencent, Huawei, Baidu, Alibaba, Hewlett Packard. Tous investissent le marché en développant leur propre groupe de recherche, caressant l’espoir d’être les premiers à maitriser, pour de bon, cette technologie.

Une industrie naissante

L’investissement financier dans le domaine de la recherche quantique, là encore, particulièrement dans le domaine de l’informatique quantique, semble prendre de l’ampleur. Les grands groupes n’ont pas hésité à investir quelques milliards de dollars pour soutenir la recherche dans ce domaine.

Et pour cause, les scientifiques, et plus précisément des physiciens comme Robert Shoelkopf et ses collègues de l’Université de Yale, ont su développer leur argumentaire pour solliciter l’aide des sociétés de capital-risque pour poursuivre leurs travaux – à savoir, la construction d’un ordinateur quantique – et construire un laboratoire spécialisé.

Quand on sait les délais imposés par certaines sociétés de ce type, on pourrait penser que de telles études sont près du but. Or il convient de rappeler que le domaine est suffisamment large pour découper les travaux en plusieurs temps. Et si beaucoup d’universitaires ont monté leur start-up dans l’espoir de séduire les investisseurs, nombreux sont ceux restés au point zéro.

Toutefois, l’analyse conduite par la revue Nature rapporte qu’entre 2017 et 2018 les entreprises ont reçu plus de 450 millions de dollars de fonds privés, soit plus de quatre fois les 104 millions de dollars communiqués au cours des deux années précédentes.

Crédit : Nature

Une production lointaine, voire incertaine

D’après Christopher Monroe, physicien à l’université du Maryland à College Park, et co-fondateur de la société d’informatique quantique IonQ depuis 2015, de nombreuses entreprises de la Silicon Valley se sont déjà lancées, et celles qui n’ont pas encore sauté le pas « surveillent de près les performances quantiques ».

Pour l’instant, les sociétés de capital-risque ne considèrent pas les sommes avancées comme étant trop importantes. D’autres, comme Doug Finke, informaticien à Orange County et à la tête du site Quantum Computing Report (spécialisé dans la définition des domaines quantiques, et des avancées technologiques en général), rappelle qu’en dépit du « battage publicitaire [qui existe] à l’heure actuelle », ces chiffres sont « substantiels » pour un domaine immature, qui n’a pas encore beaucoup à vendre : les technologies quantiques ont connu des progrès rapides, mais les machines capables de traiter de nombreux types de calcul risquent encore de mettre des décennies pour être au point. À quoi s’ajoute la difficulté d’établir les algorithmes nécessaires pour les exploiter, ajoute Doug Finke.

Ainsi, nombreux sont les champs dans lesquels la technologie quantique peut opérer, que ce soit la télécommunication, le chiffrement sécurisé, la finance, ou encore la médecine. Pour autant, si les spécialistes sont capables de visualiser les domaines dans lesquels cette technologie peut être utile, tous en sont encore à l’expérimentation pour la faire fonctionner.

Pour reprendre les propos de John Preskill, alors qu’il s’exprimait sur les travaux de la firme de Mountain View : « Google a cette machine, mais on ne sait pas si elle peut faire quelque chose d’utile qui intéresse tout le monde au cours des prochaines années ». Il est important en effet de souligner que cette technologie ne vaut pas tant par sa puissance, mais par l’utilité qui en sera faite au profit de l’intérêt général, plus encore que des intérêts financiers. Et le physicien d’ajouter qu’il ne suffit pas d’être en mesure de réaliser des calculs d’ordre quantique, encore faut-il pouvoir les appliquer à un domaine en particulier. Cette étape, à moins d’une avancée décisive dans les prochaines années, n’est pas proche de voir le jour, si l’on en croit les spécialistes qui se sont exprimés sur le sujet.

Pour mieux comprendre

À ce stade, il convient sans doute de rappeler quelques notions pour mieux comprendre la retenue qu’ont les physiciens précédemment cités. La physique quantique intervient là où la physique dite « classique » ne permet plus d’observer notre monde. Aussi, c’est au début du vingtième siècle que les physiciens ont commencé d’utiliser ce qu’on appelle la « mécanique quantique » pour « décrire le comportement des atomes et les échanges d’énergie entre la lumière et la matière ».

Vaste projet, qui ne cesse d’évoluer et qui a donné lieu depuis à de nouvelles interprétations. Si tout le monde s’accorde néanmoins pour dire que « les « technologies quantiques » regroupent les méthodes mises en oeuvre pour produire des outils dont le fonctionnement repose de manière essentielle sur l’une des propriétés quantiques suivantes : la superposition quantique d’états d’un objet physique, ou l’intrication quantique de plusieurs sous-parties de cet objet »; et si la mécanique quantique aura permis des découvertes qui nous servent aujourd’hui au quotidien, les phénomènes quantiques, eux, et notamment la superposition, n’en est pas moins encore fragile dans ses principes, et difficile à exploiter. Et c’est ce qu’on appelle la suprématie quantique.

Autrement dit, la physique classique répond aux principes de l’échelle humaine, permettant par exemple de décrire l’état des choses qui nous entoure, par leur masse, leur position, leur vitesse. La physique quantique, elle, s’intéresse à une échelle beaucoup plus petite, celle des atomes. Or les atomes composants répondent à des principes bien différents, et pour comprendre leur comportement, les expériences menées font appel à des tests qui s’appuient sur des échanges par paquets, et des superpositions d’états. Plus simplement, et pour donner un aperçu, dès qu’un atome est étudié seul, autrement dit isolé dans le vide, et sans lumière, son observation change complètement notre façon d’envisager le monde.

Ainsi, en raison des forces qui l’entoure (non, nous ne sommes pas dans Star Wars), un objet – composé d’atomes – est contenu à sa place, et ne peut être placé à divers endroits en même temps, un atome isolé, lui peut au contraire se retrouver en plusieurs endroits différents (c’est ce qu’on appelle la « superposition quantique cohérente d’états »). L’atome seul se comporte comme une onde, et dès lors qu’il est confronté à d’autres éléments, il redevient une particule.

Une onde qui se transforme en particules à deux endroits en même temps lorsqu’elle passe dans les fentes d’un mur / Crédit : L’esprit sorcier et le CEA

Aussi, comme le démontre l’image ci-dessous, un atome projeté sur un mur qui comporte deux fentes distinctes passera de l’état d’onde, à l’état de particules, et par conséquent, se retrouvera à plusieurs endroits, en même temps.

« Un objet peut exister dans plusieurs états distincts », on appelle cela la superposition quantique d’états / Crédit : SIRTEQ

Sans aller plus loin dans les détails, et si ces observations permettent aux physiciens de s’interroger continuellement sur la représentation de la réalité qui nous entoure, elles établissent également un système de mesures qui demandent à prendre en compte selon certains le contexte dans lequel ces mesures sont effectuées. En résulte un postulat défendu notamment par Alexia Auffèves et Philippe Grangier, chercheurs au CNRS, selon lequel « l’état quantique […] appartient à la fois au système et au contexte ».

Cette dernière hypothèse, loin d’être partagée par l’ensemble des physiciens spécialisés dans le domaine quantique, semblent rejoindre les commentaires de John Preskill sur un point : le chemin est encore long, ne serait-ce que pour définir et comprendre les tenants, et les aboutissants, de la physique quantique. Sans doute une des raisons pour lesquelles John Preskill avait déclaré en octobre 2019, face à la dernière avancée de Google : l’homme est dans une époque où il est en possession de cette machine [le calculateur Sycamore], mais il ne sait pas quoi en faire.

Autre obstacle : les calculateurs quantiques fonctionnent avec une unité de mesure qu’on appelle « qubit », et qui, contrairement aux ordinateurs classiques (bit), permet de dépasser le système binaire (1-0) qui traite les informations l’une après l’autre. Les qubits permettent de superposer les informations à traiter en calculant les informations 1 et 0 en même temps. Seulement voilà… les qubits, placés en interaction avec l’environnement magnétique ou la lumière par exemple, perdent leur propriété quantique, et sont donc incapables de superposer les informations, et donc de les traiter en même temps.

Le Sycamore de Google utilise les qubits appelés « transmons », pour « changer les valeurs des ses bits sur l’ensemble du processeur beaucoup plus rapidement qu’un ordinateur classique », ce qui change radicalement la manière dont est traitée l’information, mais qui ne permet pas de faire fonctionner un ordinateur quantique.

Parmi tous ces méandres, les sociétés de capital-risque, comme le rapporte la revue Nature, peut difficilement investir dans des produits certains de voir le jour, principalement dans le domaine informatique, mais plutôt dans des produits qui peuvent se vendre…

Des produits commercialisables

Comme l’explique la revue Nature, certains investisseurs misent sur une « percée » de l’informatique quantique dans les 10 prochaines années. Espérant ainsi voir la naissance de technologies leur permettant le chiffrement « inattaquable », les dispositifs de détection super-sensibles, et les nouvelles formes d’imagerie.

C’est le cas de la Chine, qui tient à se présenter comme le leader mondial du chiffrement inviolable, grâce aux lois de la physique quantique . En 2018 celle-ci déclarait lancer le premier réseau de communication quantique du monde, présentant le site comme le premier réseau informatique impossible à pirater. Connu sous le nom du projet Jinan, étendu sur plus de 2000 km, le site dispose d’un réseau QKD, sous-entendu un système qui permet aux interlocuteurs de « s’échanger des clés de chiffrement de manière totalement sécurisée ». Si certaines banques utilisent ce système, elles fonctionnent avec la fibre optique, or le signal se dégrade sur une longue distance. Le réseau chinois communique par le biais d’un satellite à orbite basse : « C’est le seul satellite qui dispose d’un protocole de communication quantique complet. De ce point de vue, la Chine a une avance considérable », expliquait le Docteur Thomas Scheidl, et faisant partie de l’équipe de chercheurs d’Anton Zeilinger, éminemment reconnu dans le domaine de la physique quantique. Toutefois, des mises au point sont encore nécessaires : l’échange de clés peut durer jusqu’à 24h, le temps que le satellite survole les bases terrestres, de même que le volume de clés échangeable est encore limité. Enfin, la communication est inviolable, à condition que personne ne prenne le contrôle du satellite en question.

La course au chiffrement inattaquable est lié aux éventuelles avancées. Si un ordinateur quantique voyait réellement le jour au cours des dix prochaines années, celui-ci serait en mesure de casser le chiffrement sur lequel s’appuie internet et de nombreuses entreprises, qu’il s’agisse d’une protection HTTPS ou d’un VPN.

D’autres ont des objectifs plus réduits, en se concentrant sur des produits qui n’ont pas atteint ce stade de développement, mais qui peuvent tout de même se vendre, d’où le fameux battage publicitaire peut-être. Ce type d’investisseur serait en train d’augmenter, explique Christophe Jurzack, fondateur de Quantonation, société située à Paris, qui consacre des fonds de capital-risque dans le domaine de la « physique profonde ».

Ainsi des entreprises développant des qubits « basés sur la lumière », et sur le « silicium » – matériau utilisé par Google dans le fonctionnement de Sycamore – ont reçu plusieurs dizaines de millions de dollars depuis 2017. D’autres, travaillant sur des algorithmes sont également très prisés par les investisseurs, car certains pourraient, même avec une toute petite avancée, engendrer des gains énormes, rapporte Nature. Algorithmes pouvant également servir à l’optimisation de la logistique des chaines d’approvisionnement, ou la simulation de molécules pour la découverte de médicaments. Ceux-ci devraient pouvoir fonctionner avec un logiciel qui pourrait être exécuté sur les premiers calculateurs quantiques. Le conditionnel reste à l’honneur cependant.

D’autres domaines, davantage reliés à l’aérospatiale, la technologie d’imagerie ou de détection, sont concernés.

Les zones les plus avancées

D’après l’étude conduite par Nature, l’Amérique du Nord semble être le leader mondial, principalement la Silicon Valley, et le Canada, dont les entreprises comme D-Wave Systems – pionnier de l’informatique quantique – ont recueilli 243 millions de dollars d’investissement. Il semblerait qu’un écosystème se soit créé pour soutenir les pôles universitaires de Waterloo et Toronto, ayant notamment bénéficié de subventions publiques, de mécènes, d’avantages fiscaux ou de pépinières performantes.

Le rapport déclare manquer d’informations sur les investissements en Chine. D’après Jian-Wei Pan, physicien quantique à l’Université des sciences et technologies de Chine à Hefei : « la commercialisation de nombreuses technologies quantiques en Chine est bien avancée », plutôt vague en effet. D’après Nature toujours, les brevets signés démontrent une activité en Chine, et selon les chiffres du Centre commun de recherche de la Commission europénne à Ispra, (en Italie), « plus de 43 % des innovations technologiques quantiques brevetées entre 2012 et 2017 » proviennent d’entreprises ou d’universités chinoises.

Crédit : Nature

Aux États-Unis, au Canada, au Royaume-Uni, au Japon, en Suède, à Singapour, et en Chine, tous consacrent des investissements publics de centaines de millions de dollars aux technologies quantiques. En Australie, à Singapour, au Royaume-Uni et dans toute l’Europe, les financements privés vont bon train, d’après le rapport, avec une certaine réserve de la part des investisseurs européens toutefois, moins enclins à prendre des risques et donc proposant des budgets moindres.

Une question de calendrier

Pour conclure, si les investissements privés et publics semblent indispensables au développement et aux avancements des technologies quantiques, certains s’inquiètent d’un battage médiatique trop important. Face aux interrogations, et à l’état des recherches encore trop peu avancé pour espérer des résultats concrets dans un avenir proche, les spécialistes craignent une baisse d’intérêt, et donc des investissements. C’est ce qu’avance Christopher Monroe, physicien à College Park (cité plus haut) : « Il y a beaucoup de battage médiatique sur le terrain, beaucoup de promesses qui, à première vue, ont l’air un peu ridicules, et certaines d’entre elles sont financées ».

L’un ne va pas sans l’autre selon les entreprises travaillant sur les logiciels quantiques : pour attirer les levées de fond, il faut au contraire mettre les sujets en lumière, et ne pas craindre de faire part des avancées, certes encore insuffisantes, mais prometteuses. C’est le seul moyen pour espérer disposer de moyens suffisants, notamment pour la création du matériel ou des logiciels nécessaires au déploiement des technologies quantiques.

Dernier point, et pas des moindre, le manque de chercheurs ou d’ingénieurs qualifiés. la formation dans ce domaine doit être développée – et accessible… – pour être en mesure d’approvisionner les entreprises spécialisées dans la recherche, et l’industrie en train de naître. Il semblerait que les États commencent d’en prendre conscience, à l’instar des États-Unis, qui a lancé en décembre 2018 l’US Quantum Initiative, d’une valeur de 1,2 milliards de dollars.