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10 octobre 2023

L’ingénierie des systèmes quantiques

Interview de Romain Alléaume (2004), par Michel Cochet (1973)

 


[Michel Cochet] Romain, tout d’abord merci d’avoir accepté cet entretien un peu plus de trois ans après la parution d’un premier dossier sur les Technologies quantiques dans la Revue n°193 (hiver 2019-2020). Quels ont été les principaux faits marquants depuis la parution de ton article : « Cryptographie quantique et sécurité numérique » ?

[Romain Alléaume ] Un premier événement a été le déménagement en 2020 de l’École sur le plateau de Palaiseau, au sein de l’Institut Polytechnique de Paris En amont de ce déménagement, avec le départ du CNRS du LTCI, l’équipe quantique de Télécom Paris (alors dénommée IQA, Information Quantique et Applications) avait perdu trois chercheuses et chercheur de premiers plan. Heureusement, en s’appuyant sur l’écosystème quantique très dynamique à Saclay, sur des succès dans le cadre du Plan Quantique National et du Quantum Flagship européen ainsi que sur les forces et le soutien fort de l’Ecole et l’appui décisif de l’Inria, on a pu refonder, une nouvelle équipe, dénommée Quriosity (Quantum Information Processing and Communications Saclay), qui va bientôt compter cinq membres permanents, et plus d’une quinzaine de membres au total.

L’ambition de l’équipe et d’explorer plus avant l’information et l’informatique quantique, sur le versant théorique, tout en s’intéressant conjointement à l’ingénierie des systèmes quantiques et en particulier des systèmes complexes, notamment photoniques.

[Michel Cochet] Romain, comment se coordonnent les activités de recherche dans le domaine quantique sur le plateau de Saclay ? 

[Romain Alléaume ] Au sein d’IP Paris, l’X et Télécom Paris sont membres les plus actifs et ont développé des liens très forts. D’autres relations se sont aussi fortement renforcées avec l’Institut d’Optique, l’ENS Paris Saclay et l’Université de Paris Saclay. Un des exemples les plus marquants est le programme de formation ARTeQ qui s’inscrit dans le cadre du centre Quantum-Saclay dont les enseignants sont en particulier : J-F Roch, A. Aspect (Prix Nobel 2022), Ph. Grangier, P. Senellart, P. Arrighi, J-D Pillet, etc.

Par ailleurs, IP Paris a remporté en 2022 un financement structurant (28 M€) à travers le programme « d’ExcelllenceS » de l’ANR dont une partie est consacrée au développement des sciences et technnologies quantiques et notamment à l’informatique quantique (calcul), et permet de soutenir le développement de l’équipe Quriosity à Télécom, au sein du laboratoire LTCI.

[Michel Cochet]  Pourrais-tu aussi indiquer à nos lecteurs quels autres partenariats de recherche ont été mis en œuvre récemment ? 

[Romain Alléaume ] Depuis le 1er Janvier 2023, et après un processus d’élaboration d’un projet scientifique, l’équipe QURIOSITY a été fondée en tant qu’équipe équipe-projet commune entre l’IP Paris et l’Inria. Outre la participation aux programmes de l’Inria et à la vie de cet institut, le statut d’équipe projet permet de gagner en visibilité et aussi d’attirer des talents, ce qui s’est concrétisé pour l’équipe, par deux recrutements Inria en 2022 et 2023, tandis que deux autres recrutements ont eu lieu au sein de Télécom Paris en 2021 et 2023.

[Michel Cochet] Où en est-on actuellement au niveau de réalisations expérimentales opérationnelles ? 

[Romain Alléaume ] Pour ce qui est des communications quantiques, nous savons utiliser les technologies quantiques sur des liaisons par fibre optique ou par satellite mais il est délicat de les déployer sur des réseaux opérationnels de communication existants.

 

Dans le cadre du programme Paris Région QCI, en partenariat notamment avec Orange, un réseau de fibre optique, dédié aux communications quantiques a été déployé en région parisienne. Il permet de relier Paris Centre et Saclay, avec notamment une liaison entre notre Laboratoire et Orange Labs à Chatillon.

 

Alors que l’horizon de fabrication d’un ordinateur quantique capable de résoudre des problèmes pratique est encore assez éloigné, être capable de conjuguer les technologies classiques et les technologies quantiques apparaît comme très prometteur en termes d’applications à plus court terme. C’est également vrai pour la cryptographie quantique. Ainsi l’hybridation entre cryptographie quantique et computationnelle, qui est une voie que nous explorons avec ardeur dans l’équipe, et qui n’était pas envisageable il y a quelques années par « les puristes », apparaît maintenant comme une direction qui permettrait, en recherchant des bons modèles avec des hypothèses computationnelles classique de pouvoir passer à l’échelle et d’augmenter sensiblement la surface des cas d’usages possibles pour les communications sécurisées quantiques.

[Michel Cochet] Romain, pourrais-tu rapidement évoquer les applications les plus emblématiques qui seront fournies par l’ordinateur quantique universel ? 

[Romain Alléaume] Cet ordinateur permettrait des applications actuellement impossibles à réaliser avec les technologies actuelles. Ainsi, un algorithme polynomial pour factoriser existe : il s’agit de l’algorithme de Shor découvert en 1994, tandis qu’un tel algorithme n’existe pas classiquement. Cependant, un ordinateur quantique capable de faire tourner l’algorithme de Shor pour casser la cryptograhie à clé publique actuelle (typiquement RSA 2048) est encore loin d’exister, car il nécessiterait des millions de qubits (en considérant les qubits actuels, qui sont bruités).

 

D’autres algorithmes prometteurs semblent cependant pouvoir être mis en œuvre possiblement avant la mise en œuvre de l’algorithme de Shor.

 

De nombreuses technologies différentes sont aujourd’hui à l’étude pour réaliser un ordinateur quantique (qubits supraconducteurs, ions piégés, atomes neutres, photonique etc.). La principale difficulté réside dans la réalisation d’un grand nombre de qubits physiques et surtout peu bruités. C’est un point très complexe à résoudre mais très stimulant. Une frontière scientifique brûlante et aussi une voie de réalisation d’un grand ordinateur quantique passera par la mise en œuvre de codes correcteurs d’erreurs quantiques, et la capacité à encoder, sur plusieurs qubits physiques, un qubit logique qui présenterait alors un niveau de bruit fortement réduit par rapport aux qubits physique.

 

Dans le cadre des études menées au sein de Quriosity, nous nous intéressons à la correction d’erreur, mais aussi à des applications réalisables avec quelques centaines, quelques milliers de qubits.

[Michel Cochet] Dans le cadre de la Cryptographie par exemple ? 

[Romain Alléaume ] Oui certainement. Par exemple, supposons que la durée de vie d’un système de chiffrement est au maximum d’une journée. Il est aujourd’hui impossible de stocker de l’information quantique durant une telle durée (on est plutôt sur des fractions de seconde) . On peut alors mettre en œuvre des protocoles qui conjuguent ces hypothèse que l’on a nommé : Quantum Computational Timelock, et l’on aussi montré que dans ce nouveau cadre, on pouvait obtenir des protocoles de cryptographie quantique avec des performances fortement augmentés, tout en offrant une sécurité inacessible classiquement.

[Michel Cochet] En guise de conclusion, quelles visions pour Télécom Paris et plus particulièrement pour ton labo pourrais-tu nous indiquer ? 

[Romain Alléaume] Le domaine des technologies quantiques est un domaine en pleine expansion, et offre des opportunités de carrières dans la recherche mais aussi l’industrie pour les ingénieurs de l’École que ce soit au sein des grandes entreprises ou des start-up comme par ex. Quandela et Pasqal qui sont situées à Massy et avec lesquelles nous sommes en relations.

Nous participons activement à l’enseignement du quantique au sein de l’École, en 1A et 2A, mais aussi avec le développement du programme de spécialisation Quantum Engineering en 3A, mené en partenariat avec Quantum-Saclay, ainsi qu’aux réflexions de Telecom Executive Education dans le cadre de modules de formation continue.

 

Notre seule relative difficulté est le recrutement de post-doctorants car les conditions financières sont inférieures à celles pratiquées à l’étranger (comme en Allemagne par ex.).

[Michel Cochet] Merci Romain pour ton enthousiasme et ton implication qui sont communicatives. Nous te souhaitons et à ton équipe la réalisation de vos projets qui mettent Télécom Paris à la pointe de la recherche dans ce domaine 

Romain ALLÉAUME
(ENS Ulm 98, TP 2004, PhD Sorbonne Université 2004) est Professeur à Télécom Paris. Ses recherches portent sur la cryptographie et les communications quantiques, ainsi que le traitement quantique de l’information. Auteur de plus de 50 articles et de trois brevets dans le domaine de la distribution quantique de clés (QKD), en 2008 il co-fonda la start-up SeQureNet qui mis sur le marché le premier système de cryptographie quantique à variables continues (CV-QKD).Il coordonne actuellement la participation d’IP Paris au projet QSNP du Quantum Technology Flagship et est responsables de l’équipe-projet QURIOSITY.

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