Ingénierie quantique 2.0 : quelles technologies ?

Une puce de la société D-Wave destinée à un processeur quantique. D-Wave Systems, CC BY-SA

Depuis une trentaine d’années, l’intérêt soulevé par les technologies quantiques n’a fait que croître. L’Europe investit fortement pour leur développement auquel les équipes du CEA prennent toute leur part.

Depuis sa création, notre institution s’est intéressée à de nombreux domaines de pointe en recherche fondamentale ou technologique qui sont ou peuvent se révéler importants pour l’accomplissement de ses missions régaliennes et la souveraineté de la France. Alain Aspect aime ainsi à rappeler l’histoire des équipes de la rue d’Ulm venant au CEA/Saclay dans la 2 CV de Claude Cohen-Tannoudji pour apprendre la mécanique quantique grâce au cours d’Albert Messiah, jeune théoricien tout juste rentré des États-Unis où il avait été le disciple de deux piliers du Manhattan Project : Niels Bohr et Richard Oppenheimer. La mécanique quantique, science née dans les années vingt, prenait alors son essor, bouleversant la science et la technologie. C’était le début de la première révolution quantique qui allait conduire à l’invention du laser, du transistor, des ordinateurs, des horloges atomiques et autres GPS ou téléphones portables.

Ainsi, dans de nombreux domaines, le CEA a été pionnier et est devenu une institution de référence. C’est notamment le cas pour la microélectronique, l’électronique quantique, les nanosciences et le calcul haute performance.

Calculateur quantique

Un cours d’Alain Aspect. École Polytechnique/Jérémy Barande, CC BY-SA

Dans les années 1980, de nouvelles idées iconoclastes ont été lancées par des physiciens comme Alain Aspect et son expérience historique sur l’intrication et la non-localité des photons ou Richard Feynman et son article séminal « Simulating Physics with Computers », introduisant la notion de calculateur quantique. C’était le début de la deuxième révolution quantique. Cette émergence n’est pas passée inaperçue de plusieurs équipes du CEA qui s’intéressaient alors déjà au transport électrique quantique dans les nanostructures et plus globalement aux circuits électriques en régime quantique. Elles sont ainsi devenues des pionnières de ce nouveau champ à la fois scientifique et technologique.

L’intérêt croissant pour les technologies quantiques a conduit toute la communauté scientifique à porter en 2016 un « Quantum Manifesto » auprès de la Commission européenne pour que soit lancé un programme d’envergure. Un FET flagship (technologies futures et émergentes), doté d’un milliard d’euros sur 10 ans, a alors été décidé par Bruxelles. Les premiers appels à projets, réalisés dès 2017, sont actuellement en cours d’évaluation.

L’Europe et les technologies quantiques. Commission européenne, CC BY

Voici un premier aperçu des technologies quantiques, en suivant le découpage standard en quatre domaines d’activité que le flagship a adopté.

Le premier pilier porte sur les communications quantiques. La démonstration théorique puis expérimentale dès les années 1980 de protocoles de cryptographie dont l’inviolabilité est garantie par les lois de la physique quantique a ouvert un nouveau champ de recherche en cryptographie. Dans l’un de ces protocoles assez directement inspiré des expériences ayant caractérisé les propriétés de l’intrication quantique, on transmet en deux lieux éloignés les photons de paires dont les polarisations sont intriquées. Toute tentative de mesure de ces photons par une partie adverse détruit l’intrication quantique présente, ne fournit aucune information utile et devient même détectable.

Cryptographies

Les systèmes de cryptographie quantique commerciaux comme ceux de la compagnie suisse ID-Quantique permettent déjà de transmettre des messages, mais pas d’encoder des communications à grande échelle car le débit de transmission de bits sécurisés reste encore faible. La mise au point de protocoles permettant un fort débit est donc un enjeu important. De plus, les pertes de photons dans les fibres limitent la portée des transmissions à une distance dépendant du protocole, mais au plus de quelques dizaines de kilomètres sur fibre télécom. La route pour réaliser des réseaux à grand débit passe donc par la mise au point de protocoles optimisés associés à des répéteurs quantiques fidèles capables de transmettre l’information quantique en dépit des pertes sur les fibres. Les recherches effectuées au CEA en photonique quantique se rattachent notamment à ce pilier, mais pas seulement.

Le deuxième pilier du flagship concerne le calcul quantique.

Richard Feynman avait fait remarquer dès 1982 que l’évolution d’un système quantique est un problème rendu très difficile par la croissance exponentielle avec sa taille de l’espace de Hilbert de ses états quantiques. Il en avait conclu que seul un autre système quantique contrôlable pourrait parvenir à la déterminer. Le nombre maximum de systèmes quantiques couplés les plus simples, soit les systèmes à deux niveaux, qu’on peut simuler avec le calculateur haute performance le plus puissant à ce jour n’est que de 46, ce qui donne entièrement raison à Richard Feynman !

Mais que la manipulation de l’état quantique d’un registre de bits quantiques en lieu et place d’un registre de bits classiques constitue une ressource puissante pour résoudre des problèmes difficiles fut une belle surprise. Tous les ordinateurs ne sont pas des machines de Turing plus ou moins rapides. Les classes de complexité des problèmes numériques établies pour les ordinateurs classiques ne s’appliquent pas aux ordinateurs quantiques, et, plus intéressant, certains problèmes inattaquables avec des ordinateurs classiques seraient à la portée d’un ordinateur quantique. L’invention par Peter Shor en 1994 d’un algorithme quantique de factorisation des nombres entiers, une tâche dont la difficulté est à la base des méthodes de cryptage universellement utilisées, a marqué les esprits. Un registre de N bits quantiques (qubits) a 2N états de base correspondant aux 2N valeurs du registre classique, et son état quantique peut être une superposition arbitraire de ces états.

Algorithmes quantiques

Un algorithme quantique consiste en l’application d’une succession de portes logiques quantiques qui implémente l’évolution voulue par l’algorithme. À ce stade, la linéarité intrinsèque de la mécanique quantique permet d’appliquer ces phases d’évolution à une superposition arbitraire des états de base, voire à leur somme complète. Comme la lecture du registre ne fournit qu’une valeur 0 ou 1 pour chaque bit, soit un des états de base du registre, tout l’art de l’algorithmique quantique consiste à concentrer l’évolution vers les états donnant une/la solution du problème cherché. Cet art est difficile, et un ordinateur quantique n’est pas une machine universelle qui résoudrait tous les problèmes plus rapidement qu’un ordinateur conventionnel, mais plutôt une machine capable de résoudre efficacement certains problèmes hors de portée des machines conventionnelles.

Mais quels problèmes intéressants peut-on aborder avec le calcul quantique ? Certains problèmes d’algèbre linéaire comme l’inversion de matrices creuses, les problèmes d’apprentissage quantique ou d’optimisation sont notamment explorés. La détermination des énergies de molécules suscite aussi un grand intérêt car la présence ou l’absence d’un électron sur une orbitale moléculaire se décrit naturellement par l’état d’un bit quantique. L’optimisation de la configuration électronique de molécules à deux ou trois atomes a ainsi été effectuée récemment mais il faudrait une centaine de bits quantiques parfaits pour s’attaquer à un problème intéressant, ce qui nous conduit au problème de la montée en taille.

Mais augmenter le nombre de qubits ne sert que si la cohérence quantique est maintenue malgré les inévitables processus de décohérence. L’enjeu principal du calcul quantique basé sur l’évolution d’un registre pour monter en taille consiste donc à réaliser cette correction quantique d’erreur qui est rendue difficile par l’impossibilité de faire des copies des bits quantiques à protéger, une opération interdite en physique quantique ! La mise au point de bits quantiques intrinsèquement plus robustes et plus faciles à corriger que ceux d’aujourd’hui et/ou d’une architecture intégrable compatible avec la correction d’erreur quantique, sont les grands enjeux du domaine.

Les recherches en cours au CEA suivent ces deux stratégies. À Saclay, on s’intéresse à de nouveaux types de bits quantiques à la cohérence quantique meilleure que celle des bits quantiques supraconducteurs utilisés auparavant. À Grenoble, le CEA développe avec le consortium « Quantum Silicon » des bits quantiques fabriqués avec les techniques de la microélectronique sur silicium, ce qui devrait assurer, une fois les briques élémentaires au point, une intégration à grande échelle compatible avec les ressources énormes exigées pour la correction d’erreur quantique.

Simulation

Le troisième pilier du flagship s’intéresse à l’évolution d’un système quantique. Il s’agit de le résoudre en faisant de la simulation quantique « à la Feynman » avec un autre système quantique. Il faut, pour cela, trouver une bonne adéquation entre des problèmes quantiques intéressants et des systèmes physiques plus facilement réalisables, ajustables, contrôlables et mesurables. La simulation d’hamiltoniens importants de la matière condensée, comme celui d’Hubbard décrivant la dynamique d’électrons en interaction sur un réseau, peut ainsi s’effectuer avec des atomes ultra-froids sur réseau optique. Il n’y a pas encore de problème quantique pour lequel la simulation a apporté des informations inconnues auparavant mais cela pourrait arriver prochainement. Un grand intérêt de la simulation est de donner accès à l’échelle la plus intime d’un phénomène quantique, ce qui est en général impossible sur le système d’origine.

Horloge atomique. Wikipedia

Le quatrième pilier est baptisé « Métrologie et senseurs quantiques ». Il vise à exploiter un ensemble de phénomènes quantiques connus mais restés encore peu exploités pour réaliser des mesures plus précises, tout comme l’était l’intrication quantique avant la prise de conscience de son intérêt pour l’information quantique. Considérons l’exemple des horloges atomiques. Dans une horloge atomique, des atomes suivant des trajectoires dans un interféromètre sont interrogés par des impulsions optiques induisant des transitions entre niveaux atomiques et le signal d’interférence obtenu permet de caler la fréquence d’excitation sur celle d’une raie atomique extrêmement fine, même très précisément sur son sommet. L’utilisation d’états quantiques collectifs d’ensembles d’atomes à la place d’états d’atomes indépendants ouvre déjà des perspectives pour améliorer la sensibilité des horloges atomiques.

Détecter les signaux

Quantum timeline. CEA, Author provided

Par ailleurs, dans les détecteurs d’ondes gravitationnelles comme LIGO et VIRGO, l’utilisation de faisceaux de lumière dont le bruit sur la phase de mesure des interférences optiques est comprimé aux dépens du bruit sur l’autre phase améliore maintenant la sensibilité des détecteurs et devrait augmenter d’un facteur 4 le volume effectif de détection dans l’univers de signaux gravitationnels. La compression du bruit sur la phase de mesure d’un signal est ainsi une technologie quantique qui améliore le rapport signal à bruit d’une mesure électromagnétique. Les recherches menées au CEA dans le domaine des senseurs quantiques portent notamment sur la résonance magnétique pour laquelle des progrès spectaculaires ont été réalisés. Cela pourrait à terme révolutionner les mesures en chimie et biologie en allant vers des sensibilités ultimes, détection de molécule unique ou résolution accrue.

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