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Panorama des technologies quantiques de la seconde génération #197

Articles Revue TELECOM

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09/07/2020

par Olivier Ezratty dans la revue 197  
                         

Le monde des technologies est quantique depuis au moins le début de l’après seconde-guerre mondiale. En effet, nombre des outils d’aujourd’hui reposent sur l’exploitation des principes de la physique quantique découverts sur une trentaine d’années entre les quanta de Max Planck de 1900, l’effet photoélectrique d’Albert Einstein en 1905 et les grands fondements de la physique quantique allant de la dualité onde-particule de Louis de Broglie jusqu’aux travaux de Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Paul Dirac et autres Max Born dans les années 1920 et 1930. On y trouve notamment les transistors et tout ce qui en découle (1947), les lasers (1960), les panneaux photovoltaïques, le GPS et tant d’autres technologies de notre quotidien depuis des décennies.

           

Pourquoi parle-t-on donc de révolution quantique de seconde génération ?         

Elle tient à l’évolution des connaissances autour de la physique quantique datant d’après les années 1960. Notamment, la fameuse expérience d’Alain Aspect, Philippe Grangier et Jean Dalibard à Orsay en 1982 qui démontrait l’intrication quantique de photons. Depuis, on considère que les technologies quantiques de la seconde génération font appel à cette intrication, à la superposition des états ainsi, très souvent, qu’à la capacité de contrôler des particules quantiques à l’état individuel (atomes, ions, électron, photons).

           

Cela a amené à une formalisation de ce champ technologique autour de quatre grands domaines : le calcul quantique, les télécommunications et la cryptographie quantiques et la métrologie quantique.

                           

Le calcul quantique           

Il tire parti de l’ensemble de ces mécanismes, et qui permet d’envisager de créer de systèmes capables de prouesses de calcul inaccessibles aux supercalculateurs d’aujourd’hui. Imaginé par Richard Feynman en 1982, il est passé du rêve aux premières réalisations. Les dernières en date, annoncé en octobre 2019, étaient le processeur Sycamore de Google à base de qubits supraconducteurs avec sa performance de « suprématie quantique » et son équivalent chinois exploitant une vingtaine de photons. La mise au point d’ordinateurs quantiques opérationnels pour l’industrie va, cependant, prendre encore plusieurs années si ce n’est décennies. Les qubits qui sont la base de traitements sont difficiles à mettre au point et à faire « scaler » en nombre à cause du bruit dont ils sont l’objet. Les chercheurs et ingénieurs s’activent pour lever ces barrières une par une.

           

Les applications du calcul quantique sont à la fois nombreuses et pourtant encore inexplorées. Leur objectif n’est pas de remplacer ce que font les ordinateurs d’aujourd’hui mais plutôt de rendre possible ce qui ne l’est pas, dans la résolution de problèmes très complexes dits « exponentiels » qui pourraient tirer parti du phénomène de superposition des qubits.

           

Cela commence avec divers problèmes d’optimisation comme celui du parcours du livreur ou de véhicules autonomes dans le trafic, puis l’optimisation du trafic de parcs de véhicules autonomes de villes intelligentes du futur. En second lieu, intervient la simulation du fonctionnement de la matière au niveau des particules. Elle est régie par les règles de la mécanique quantique qui dépendent d’équations connues mais dont la résolution est un problème d’optimisation complexe à résoudre, particulièrement pour comprendre l’interaction de nombreux atomes dans des molécules ou des structures cristallines complexes. Cela concerne aussi bien la simulation chimique, des matériaux que celle de molécules organiques. L’informatique quantique pourrait ainsi servir à simuler le quantique du monde réel dans l’infiniment petit. Rassurez-vous, cela n’ira pas au point de simuler un être vivant en entier. Cela sera déjà une prouesse fantastique de le faire au niveau du repliement d’une seule protéine sur elle-même ! À la clé, la résolution d’un grand nombre de problèmes de notre temps et pour la planète.

           

Le machine learning et l’entraînement de réseaux de neurones est un troisième domaine d’applications. Enfin, nous pouvons citer la factorisation de nombres entier avec sa capacité potentielle de casser les codes de sécurité sur Internet de type RSA qui reposent sur l’envoi de clés publiques.

           

D’autres applications pourront émerger pour différents marchés comme la finance ou l’assurance. Nombre d’applications métiers sont concernées par les problèmes d’optimisation complexes et restent à inventer, notamment à destination du grand public.

           

Alors qu’ils ne sont pas encore véritablement au point, les ordinateurs quantiques constituent déjà un secteur bien investi par des dizaines de laboratoires de recherche dans le monde et par les grands acteurs du numérique (IBM, Google, Microsoft, Intel, Honeywell) comme des start-up (IonQ, D-Wave, Rigetti, Pasqal, etc).

           

Télécommunications et cryptographie quantiques           

L’intrication des photons et leur synchronisation instantanée à distance ont ouvert la porte à un champ technologique immense, celui des télécommunications et de la cryptographie quantique. On a souvent l’habitude de se focaliser uniquement sur ce dernier.

           

La cryptographie quantique est un moyen de diffusion de clés quantiques inviolables grâce au principe de l’intrication entre photons. Elle repose soit sur des communications par fibre optique, soit en liaison spatiale avec des satellites comme le font les Chinois avec le satellite Micius, depuis 2017. De nombreux réseaux de communication quantique sont expérimentés dans le monde et notamment en Chine, aux USA, en Autriche, en Suisse et même en France (à la Côte d’Azur avec l’Université de Nice et Orange).

           

Les télécommunications quantiques permettent de communiquer à distance et instantanément l’état de quanta. C’est un cas plus général que la cryptographie quantique qui en est un cas particulier. C’est un domaine en devenir car pour l’instant, on peut certes envoyer une information très rapidement, mais pas l’exploiter directement. En particulier, l’information a beau être transmise instantanément, donc plus vite que la lumière, on ne peut pas pour autant exploiter cette bizarrerie dans les transmissions d’informations classiques. Cela peut cependant servir de base à la distribution de traitements quantiques sur plusieurs processeurs quantiques ainsi qu’à la liaison directe entre capteurs quantiques et calculateurs quantiques, sans perdre la richesse des informations captées par les capteurs quantiques.

           

Métrologie quantique           

La métrologie quantique permet de mesurer des ordres de grandeur de l’infiniment petit avec une très grande précision. C’est un vaste domaine scientifique qui fait l’objet de nombreux travaux de recherche et à la commercialisation de solutions industrielles.

           

Cela comprend les horloges atomiques ultra précises à atomes ou ions froids, les accéléromètres et gyromètres à atomes froids qui utilisent de l’interférométrie atomique, les gravimètres qui en sont une variante pour mesurer la gravité avec précision, que fabrique notamment le Français Muquans qui est basé à Bordeaux où les magnétomètres à base de cavités de diamants comme ceux que Thales met au point. La magnétométrie quantique a d’énormes débouchés dans la microscopie et l’imagerie médicale.

           

On y trouve aussi les radars quantiques où les Chinois sont en train de se distinguer et qui auraient la capacité de résister au brouillage grâce à l’intrication des ondes électromagnétiques envoyées sur les cibles.

           

Ingénierie quantique           

Ces trois grands domaines d’application des nouvelles technologies quantiques ont l’air disjoints mais ils ne le sont pas. L’écheveau des champs scientifiques et technologies quantiques est étroitement «intriqué».

           

En effet, on compte plusieurs techniques de base : la photonique, les supraconducteurs, les atomes et ions piégés et les spins d’électrons. Elles sont souvent combinées les unes avec les autres pour créer des solutions concrètes. Ainsi, par exemple, si IBM et Google se focalisent aujourd’hui sur des qubits supraconducteurs, ils ne pourront relier entre eux des processeurs quantiques qu’avec des systèmes à base de photons. Les cavités de diamants où l’on contrôle un spin d’électrons sont exploitées à la fois comme outils de mesure de qubits supraconducteurs, pour créer des mémoires quantiques, pour créer des qubits et pour de la magnétométrie de précision. De même, les atomes froids peuvent servir de mémoire quantique, de qubits et de gravimètres quantiques.

           

S’y ajoutent tout un tas de disciplines scientifiques : les sciences des matériaux, la thermodynamique et la cryogénie, la maîtrise des micro-ondes et des lasers, les théories de la complexité, les mathématiques, l’algorithmie et plein d’autres encore. Les technologies quantiques sont le nouveau royaume de l’ingénierie intégrative, et donc, un paradis des scientifiques et des ingénieurs. Et en plus, cela sert à quelque chose !


                                                             

Olivier Ezratty  

Consultant et auteur, spécialisé dans les deep techs avec notamment « Les usages de l’intelligence artificielle » (quatrième édition, novembre 2019, 624 pages) et « Comprendre l’informatique quantique » (seconde édition, septembre 2019, 504 pages), publiés en open source et téléchargeables en PDF sur www.oezratty.net.           

Formation: Ingénieur ECP (1985)

                                


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