- Mis à jour le lundi 7 novembre 2022
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Les technologies quantiques : petite échelle, grand destin
Les technologies quantiques, basées sur la manipulation de la matière à très petite échelle, sont présentées comme révolutionnaires. Elles ouvrent le champ des possibles de façon spectaculaire dans de nombreux domaines avec des applications industrielles.
Ainsi, pour tenir la “promesse de l’aube quantique” concernant l’ordinateur, laboratoires de recherche et entreprises technologiques du monde entier se sont lancés dans une intense course aux qubits, ces briques de base de l’informatique quantique, dévoilant des machines toujours plus puissantes. La recherche est aussi effrénée dans le développement de communications, de simulations et de capteurs utilisant les propriétés quantiques.
Les communications quantiques
L’Internet quantique se dessine. Grâce aux propriétés étonnantes de paires de particules intriquées, et en utilisant les réseaux de fibre optique actuels, il promet de nouvelles opportunités de transmission de données et des communications très fortement sécurisées.
Calcul quantique aveugle : ouvrir la voie à l’externalisation du calcul quantique
Le calcul quantique aveugle permet aux organisations d’externaliser leurs tâches informatiques sur des serveurs quantiques tout en garantissant la confidentialité de leurs données.
Il s’agit de réaliser des calculs sur des données chiffrées afin d’éviter qu’elles soient accessibles à une entité extérieure, dans des domaines sensibles comme la médecine ou la banque. Cela assure un haut niveau de sécurité qui conditionne de nombreuses applications potentielles dans les domaines de la médecine ou de la banque, par exemple.
L'ordinateur quantique
La recherche s’organise pour atteindre l’objectif, encore lointain, d’un ordinateur quantique “universel”. Doté d’un nombre élevé de qubits, et avec un niveau de bruit faible, il serait capable, grâce au calcul parallèle, de résoudre n’importe quelle équation.
Optimisation du trafic routier : proposer des itinéraires optimisés en fonction d’une multitude de variables
L’ordinateur quantique promet d’offrir la puissance de calcul nécessaire pour résoudre certains problèmes d’optimisation utiles pour la gestion du trafic routier comme celui dit “du voyageur du commerce” (trouver le meilleur chemin pour visiter un nombre de villes donné).
Dans sa stratégie nationale sur les technologies quantiques, le gouvernement français imagine ainsi un système de routage de véhicules prenant en compte les différentes demandes d’itinéraires des conducteurs et optimisant ses recommandations afin de désengorger les routes.
Brève histoire du quantique
La physique quantique a donné naissance à l’une des révolutions scientifiques les plus importantes du XXe siècle, et s’apprête à bouleverser l’informatique et les télécommunications du XXIe siècle. Des premières hypothèses aux dernières prouesses technologiques, voici les jalons marquants d’une histoire en mouvement.
1900
Vous avez dit quantum ?
Le physicien allemand Max Planck introduit la théorie des quanta, selon laquelle les échanges d’énergie se font par valeurs discrètes proportionnelles à la constante de Planck. Développée par d’autres physiciens, comme Albert Einstein et Niels Bohr, cette hypothèse servira de pont entre la physique classique et la physique quantique.
1935
Le chat de Schrödinger
Pour tenter de montrer que la mesure fige le résultat, Erwin Schrödinger imagine une expérience de pensée restée célèbre : un chat est enfermé dans une boîte avec un flacon de gaz mortel et une source radioactive qui se déclenche aléatoirement. Selon le principe de superposition, tant que la boîte n’est pas ouverte, le chat est à la fois vivant et mort.
1935
Paradoxe EPR
Einstein, Podolsky et Rosen publient un article affirmant que la physique quantique est incomplète (le paradoxe EPR) et qu’il y a des “variables cachées”. Cela inaugure un débat sur la nature du monde quantique (intrication), qui sera résolu expérimentalement à partir des années 1980.
1964
Inégalités de Bell
Le physicien John S. Bell démontre des relations mathématiques permettant de faire la différence entre les théories à variables cachées et théories dites non locales (compatibles avec la notion d’intrication quantique).
1980-1982
Expériences d'Alain Aspect
Expériences menées par Alain Aspect et Philippe Grangier dans le but de tester les inégalités de Bell. Premières expériences démontrant ainsi l’intrication quantique, qui s’avère être une ressource indispensable pour le calcul quantique et le développement d’un Internet quantique.
1981
La naissance du concept d'informatique quantique
Durant une conférence du Massachusetts Institute of Technology, Richard Feynman formule l’idée d’utiliser des systèmes quantiques, plus simples et contrôlables, pour simuler d’autres systèmes quantiques – la tâche est impossible pour les ordinateurs classiques en raison des puissances de calcul énormes requises.
1984
Algorithme BB84
Création par Charles Bennett et Gilles Brassard de l’algorithme BB84. Il s’agit de l’algorithme historique des communications quantiques, permettant un échange de clé sécurisé entre deux parties, avec la possibilité de détecter une intrusion sur le canal.
1994
Algorithme de Shor
Le mathématicien américain Peter Shor imagine un algorithme capable de factoriser n’importe quel nombre entier en produit de nombres premiers en un temps record à l’aide d’un calculateur quantique. De quoi casser la plupart des systèmes de cryptographie actuels !
1998
2 qubits
IBM (et co-auteurs) publie les résultats du premier calculateur quantique de 2 qubits. Vingt ans plus tard, “Big Blue” réussira à simuler la structure moléculaire simple de l’hydrure de béryllium (BeH2) avec un ordinateur de 50 qubits.
2009
Le premier processeur quantique
Une équipe de chercheurs de l’université de Yale (et co-auteurs) publie sur le premier prototype de processeur quantique à l’état solide, intégré et de taille très réduite. Il comporte 2 qubits composés sur un substrat d’atomes d’aluminium.
2011
Le premier ordinateur quantique commercial
La société californienne D-Wave présente le premier ordinateur quantique commercial. Basé sur un processeur de 16 circuits (composés chacun de 8 éléments quantiques de base), le D-Wave One n’est pas un calculateur quantique généraliste, mais une machine optimisée pour un type de calcul spécifique appelé recuit simulé.
2016
Un acteur français du quantique
Atos lance son programme “Atos Quantum”, qui vise à développer une plateforme de simulation d'ordinateur quantique permettant aux chercheurs de tester des algorithmes destinés aux futurs ordinateurs quantiques. L’entreprise livre son premier simulateur d'ordinateur quantique l’année suivante, l’Atos QLM (30 qubits).
2017
Un pas vers l'Internet quantique
La Chine réalise la première transmission de données chiffrées avec une clé quantique fournie par le satellite Micius (Mozi), entre Vienne et Pékin (7 000 km). Il s’agissait d’une vidéoconférence entre les académies chinoise et autrichienne des sciences, sécurisée à l’aide d’un dispositif de distribution quantique de clé.
2018
L'UE se dote d'un programme ambitieux
L’Union européenne lance le Quantum Flagship. Ce programme, d’une durée de dix ans et doté d’un budget de 1 milliard d’euros, vise à renforcer le leadership européen dans le domaine des technologies quantiques et à soutenir le développement d’applications commerciales.
2019
Suprématie quantique ?
La NASA et Google annoncent avoir atteint la suprématie quantique avec un ordinateur quantique de 53 qubits, le Sycamore, qui a effectué un calcul spécifique en 3 minutes, contre une estimation de 10 000 ans avec le supercalculateur le plus rapide du monde. Ce résultat sera contesté par IBM, qui avait proposé la même simulation en 2 jours et demi sur le supercalculateur classique Summit (avec des ressources supplémentaires en mémoire).
2021
256 qubits
Une équipe de chercheurs du MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms met au point un prototype de simulateur quantique programmable capable de fonctionner avec 256 qubits grâce aux atomes ultrafroids. Cette prouesse marque une étape importante vers la construction de simulateurs quantiques à grande échelle.
La simulation quantique
Avec des applications concrètes en chimie et en physique des matériaux, en météorologie ou dans les transports et l’énergie, les simulateurs quantiques ouvrent un vaste champ de nouvelles possibilités pour la recherche et l’industrie.
Production d’engrais : améliorer des procédés trop coûteux et gourmands en énergie
Aujourd’hui, la fabrication d’engrais repose sur un procédé mis au point au début du xxe siècle dit “Haber-Bosch”, permettant la synthèse de l’ammoniac. Ce procédé, qui nécessite des températures et pressions extrêmes, est très énergivore.
Grâce à sa capacité à modéliser des molécules complexes, la simulation quantique offre un nouveau moyen d’identifier des catalyseurs plus efficaces pour produire de l’ammoniac dans des conditions “normales”, avec en ligne de mire la réduction des coûts et de l’impact écologique de l’industrie agroalimentaire.
5 Technologies de pointe qui font bouger les lignes
Les capteurs quantiques
Exploitant la sensibilité extrême des états quantiques, les capteurs quantiques offrent une précision exceptionnelle. Ils sortent aujourd’hui des laboratoires pour révolutionner les technologies de mesure et de détection.
Contrôle industriel : analyser les substances présentes dans l’air dans une usine de production
Les capteurs quantiques sont utiles dans le domaine du contrôle industriel pour analyser les substances présentes dans l’air dans une usine de production et détecter des contaminations ou des irrégularités sur des produits plus tôt et plus facilement qu’avec des capteurs classiques.
Par exemple, des sources de lumière quantiques peuvent être utilisées pour détecter des particules de poussière dans les chaînes de production de ciment ou de semi-conducteurs en un millième de seconde, et mesurer avec précision leur taille et leur trajectoire.
Les capteurs quantiques sortent des laboratoires
Ordinateur quantique : la start-up Pasqal mise sur les atomes froids
Le rôle d'Orange
Conscient du potentiel immense des technologies quantiques, Orange participe activement à la recherche dans ce domaine depuis plusieurs années. Avec l’objectif de déployer des réseaux de communication encore plus sécurisés et efficaces.
Coffre-fort quantique : fournir un système de stockage des actifs numériques ultrasécurisé aux institutions financières
Dans le cadre du projet européen OPENQKD, auquel Orange contribue, Mt Pelerin et ID Quantique (IDQ) ont conçu un coffre-fort quantique pour fournir aux institutions financières un système de stockage des actifs numériques ultrasécurisé. Il s’appuie sur une infrastructure QKD (Quantum Key Distribution) transportée sur le réseau des Services industriels de Genève.
Cette couche de sécurité quantique doit offrir au système une “sécurité inconditionnelle”, c’est-à-dire prévenir tout piratage, même avec une puissance de calcul illimitée.
Orange et les technologies quantiques pour la sécurité des échanges de données
Comment l’informatique quantique pourrait contribuer à la lutte contre le changement climatique ?
Gérer l’intermittence des énergies renouvelables, découvrir de nouveaux matériaux pour le captage du CO2, accompagner la mobilité électrique ou développer la prochaine génération de batteries ; l’informatique quantique permet de trouver des solutions contre le changement climatique.
Les premières expérimentations et applications des ordinateurs, des réseaux de communication et des capteurs quantiques laissent entrevoir l’immense potentiel de ces technologies de rupture qui pourraient avoir des impacts socioéconomiques majeurs. Ces technologies, l’exemple de la cryptographie l’atteste, constituent à la fois une opportunité et une menace, et représentent des enjeux décisifs de compétitivité et de souveraineté.
Sources
https://phys.org/news/2017-08-quantum.html
https://www.gouvernement.fr/sites/default/files/contenu/piece-jointe/2021/01/dossier_de_presse_quantique_vfinale.pdf
https://thequantumdaily.com/2020/02/05/could-quantum-computing-help-feed-the-world/
https://www.sick.com/fr/fr/interview-sick-et-trumpf-developpent-le-premier-capteur-optique-quantique-pour-la-production-en-serie/w/blog-capteur-quantique-sick-trumpf/
https://www.gouvernement.fr/sites/default/files/contenu/piece-jointe/2021/01/dossier_de_presse_quantique_vfinale.pdf
https://www.unige.ch/communication/communiques/2019/lue-soutient-la-communication-quantique-securisee/
https://www.solutions-numériques.com/atos-prepare-larrivee-des-ordinateurs-quantiques/