L’informatique quantique nous promet des puissances de calcul allant bien au-delà de l’informatique classique actuelle, ce qui permettra de résoudre plus rapidement des problèmes complexes. Mais cette technologie n’en est encore qu’à ses premiers pas, tant dans la construction des processeurs, que dans l’adaptation ou la création de logiciels permettant d’en tirer la quintessence. Pour l’illustrer, voici trois exemples de collaborations lancées récemment autour de IonQ et Ansys, de Quandela et du CNRS, ainsi que de Teratec.

L’informatique quantique est un domaine en évolution ultra-rapide où la recherche fondamentale, l’expérimentation scientifique et les tests industriels avancent simultanément. Notamment grâce à de multiples start-up qui aiguillonnent les géants établis de longue date.

Qu’est-ce que l’informatique quantique ?

La Loi de Moore, qui prédisait depuis 1975 un doublement tous les deux ans du nombre de transistors présents sur une puce de microprocesseur, atteint ses limites, car les niveaux de gravure du silicium se rapprochent de la taille des atomes et sont donc soumis aux lois de la physique quantique. Ainsi dès 2015, Intel a rencontré des difficultés inattendues dans la mise au point de son processeur Skylake, gravé en 14 nanomètres. Et sous les 8 nanomètres, des effets quantiques sont censés perturber fortement le fonctionnement des composants électroniques. D’où l’intérêt des fabricants de processeurs pour non plus subir, mais bénéficier de ces effets en développant des ‘‘puces quantiques’’.

Dans l’informatique ‘‘classique’’ qui utilise des phénomènes décrits la physique ‘‘classique’’, la plus petite unité d’information manipulable par une machine numérique est le bit qui ne peut avoir que deux valeurs 0 ou 1. C’est donc une informatique ‘‘déterministe’’. L’informatique ‘‘quantique’’, quant à elle, utilise des phénomènes décrits par la physique quantique, comme l’intrication quantique ou la superposition quantique. Les opérations ne sont plus basées sur la manipulation de bits dans un état 0 ou 1, mais de Qbits capables d’être simultanément dans les valeurs 0 et 1, ainsi que dans toutes les valeurs intermédiaires du spectre entre les deux. On passe donc du déterminisme au ‘‘probabilisme’’. (Voir photo 1) En théorie, les machines quantiques peuvent ainsi traiter beaucoup plus rapidement des problèmes beaucoup plus complexes et volumineux que les machines classiques et explorer des concepts au-delà des limites de l’informatique classique.

Le quantique n’a pas que des avantages

Reste que les Qbits étant dans le domaine de l’infiniment petit, les atomes les formant sont instables, voire sensibles aux rayons cosmiques, ce qui impose de les faire fonctionner à des températures proches du zéro absolu dans des environnements blindés. Mais malgré cela le taux d’erreur est actuellement supérieur à 1 %. En s’additionnant à chaque opération, ces erreurs faussent les résultats. Pour remédier à ce problème, on répète la même opération plusieurs fois avec l’ordinateur quantique, et on retient la réponse la plus récurrente, celle qui a la probabilité la plus élevée, comme étant la meilleure.

Mais les calculateurs quantiques ne sont pas adaptés au traitement de toutes les problématiques. Ils ne savent traiter que peu d’entrées et peu de sorties, mais avec autant de complexité que souhaité. Ils se prêtent donc très bien aux calculs dont la complexité réside dans la combinatoire (ordonnancement, cryptographie…). De même, le faible volume des entrées-sorties par rapport à celui du traitement, les prédispose à un usage à distance à travers Internet.

Enfin, les calculateurs quantiques demandent des techniques de programmation différentes, même s’ils utilisent beaucoup l’algèbre linéaire classique pour conditionner et traiter simultanément des ensembles de données liées.

Repenser les logiciels pour les machines quantiques

C’est pourquoi de nombreux éditeurs de logiciels sont en train d’évaluer ce que l’informatique quantique pourrait leur apporter. C’est par exemple le cas d’Ansys, leader de l’ingénierie numérique (IAO), qui vient de signer un partenariat avec le fabricant de machines quantiques IonQ. Ansys aura ainsi accès à une infrastructure critique, le IonQ Forte, dernier né d’une gamme de systèmes quantiques, doté de 36 Qbits algorithmiques, pour tester, adapter et perfectionner sa technologie logicielle dans un environnement quantique. L’objectif étant, pour ces clients industriels finaux, d’accélérer les simulations numériques, d’élargir l’exploration haute-fidélité de concepts et de raccourcir les délais de développement et de mise sur le marché de produits plus innovants. De son côté, IonQ utilisera les outils de simulation multiphysique d’Ansys, y compris ses logiciels de simulation structurelle, photonique et électromagnétique, pour concevoir et optimiser des composants clés destinés à ces ordinateurs quantiques de nouvelle génération et ces réseaux avancés.

« Nous travaillerons avec IonQ pour créer une nouvelle génération de solveurs basés sur l’informatique quantique, capables à la fois d’augmenter la précision prédictive et de réduire le temps d’exécution des simulations. L’informatique quantique présente des avantages considérables pour le marché de l’IAO, et la technologie de pointe d’IonQ permet d’apporter des solutions aux défis de simulation complexes qui étaient jusqu’à présent hors de portée des ordinateurs classiques. », justifie Prith Banerjee, Chief Technology Officer chez Ansys.

Le nerf de la guerre c’est la recherche

La recherche fondamentale est aussi l’un des moteurs du quantique. Ainsi, Quandela, le CNRS, l’Université Paris-Saclay et l’Université Paris Cité ont inauguré fin 2024 au Centre de Nanosciences et Nanotechnologies (C2N) de Palaiseau, le laboratoire commun, QDlight, dédié à la recherche en photonique quantique. Rappelons que Quandela conçoit, construit et fournit des systèmes quantiques prêts à l’emploi pour les datacenters, des processeurs quantiques accessibles via le Cloud, et des services d’accès aux algorithmes.

Avec le laboratoire commun QDlight, créé pour une durée de six ans, les équipes entendent renforcer leur coopération scientifique, afin de développer une nouvelle génération d’émetteurs de lumière quantique, ainsi que leurs applications dans les technologies de l’information quantique pour atteindre une puissance de calcul sans précédent. L’objectif est aussi de maintenir la souveraineté française dans la conception d’ordinateurs quantiques photoniques, en décuplant leur puissance de calcul.

Développée depuis la fin du XXe siècle, la photonique quantique consiste à tirer profit des propriétés spécifiquement quantiques de la lumière, notamment des photons uniques (émis un par un), pour le calcul quantique et la sécurisation des communications. Cette discipline offre l’une des voies les plus prometteuses pour l’informatique quantique (ordinateurs et réseaux) ou encore pour des protocoles inviolables de distribution de clés de chiffrement (cryptographie quantique).

Leader européen du calcul quantique photonique, issue du C2N, Quandela produit et commercialise en Europe depuis 2017 des émetteurs de lumière quantique, composants indispensables aux technologies de calcul quantique photonique, et a livré ses premiers ordinateurs quantiques photoniques en 2023. Ces émetteurs, constitués d’une boîte quantique que l’on peut voir comme un atome artificiel dans une matrice de matériau semi-conducteur, permettent de générer en série des photons uniques, indiscernables les uns des autres et émis à la demande par une succession d’impulsions laser concentrées sur cet atome artificiel. (Voir Photo 2)

Dans les meilleures conditions de résonance et d’extraction des photons conférée par la cavité optique dans laquelle elles sont positionnées, ces boîtes quantiques permettent de générer un flux de photons à une cadence de plusieurs dizaines de mégahertz, qui sert à implémenter efficacement des protocoles de calcul quantique sur une puce photonique.

Vers une puissance et une efficacité de calculs sans précédent

Ce nouveau laboratoire commun (Labcom) recherche/entreprise vise à développer des émetteurs et protocoles pour générer de nouveaux états de lumière quantique, dans la perspective de réaliser un ordinateur quantique photonique tolérant aux erreurs et permettant de démontrer des protocoles de communication quantiques.

Pour ce faire, les travaux s’inscriront dans deux axes de recherche :

•  L’axe ‘‘Optique’’ du projet visera en premier à développer des protocoles d’intrication quantique photonique, afin de créer des chaînes et des graphes de photons multi-intriqués. Ces états de lumière non classiques sont au cœur du paradigme du calcul quantique ‘‘basé sur la mesure’’, qui est le cadre le plus prometteur pour réaliser une machine quantique universelle ;
• L’axe ‘‘Croissance’’ sera centré sur l’amélioration de la qualité des dispositifs photoniques à boîte quantique qui seront réalisés au sein du Labcom. Il s’agira notamment de faire croître des matériaux de très haute pureté, afin de maîtriser la ‘‘pureté quantique’’ des photons et ainsi d’accroitre la reproductibilité de fabrication des dispositifs photoniques.

QDlight, une étroite collaboration recherche publique/entreprise

Le Labcom QDlight s’inscrit dans la continuité de la collaboration depuis 2017 entre Quandela et le laboratoire de recherche (C2N) dont elle est issue. Elle s’est traduite par de nombreuses interactions entre acteurs de la recherche publique et en entreprise au profit de la recherche fondamentale sur la physique des boîtes quantiques de semi-conducteurs, de l’interaction lumière-matière dans les microcavités solides, des protocoles de génération de lumière quantique et de leur mesure, ainsi que sur des premières implémentations de protocoles ou calculs quantiques.

Le Labcom QDlight représente une nouvelle étape pour conserver une avance compétitive au niveau mondial sur la technologie des sources de photons uniques semi-conductrices, assurer leur perfectionnement constant et exploiter leurs propriétés exceptionnelles dans les activités de recherche et de développement.

On voit à travers ces deux exemples de collaboration que les technologies quantiques sont en pleine évolution, tant sur les développements physiques et logiciels, que sur les utilisations potentielles.

Teratec aide les industriels à s’approprier le quantique

Soulignons pour finir l’initiative Teratec Quantum Computing Initiative (TQCI), lancé en 2018 par Teratec en association avec Total ; EDF ; Atos ; Dassault-Aviation ; Airbus ; Naval Group ; le CEA ; Thalès ; l’IFPEN ; l’ONERA ; l’Université Paris7 et l’Université de Reims Champagne Ardennes. L’objectif était de développer un écosystème français et européen du calcul quantique, et de préparer ensemble la montée en compétences des industriels dans le domaine, de choisir et réaliser des cas d’usages significatifs pour ces industriels, et de proposer la mise en œuvre de coopérations internationales.

Teratec est également associé au lancement de l’initiative Benchmark Quantique portée par le Plan Quantique National et le Laboratoire National de Métrologie. Le projet, piloté par Daniel Verwaerde, président de Teratec, proposera à la communauté internationale des utilisateurs de machines quantiques, des outils d’évaluation reposant sur un ensemble d’algorithmes-tests représentatifs des futurs usages des machines quantiques. Teratec s’occupera en particulier de la relation avec les industriels ainsi qu’avec les initiatives internationales comparables, pour permettre à ce benchmark d’être le plus représentatif possible.

On le voit, la seconde moitié des années 2020 sera donc cruciale pour le développement de l’informatique quantique, même si ce sera

certainement une informatique hybride mêlant puces quantiques et puces classiques en fonction des besoins de calcul, ainsi que de ses usages.

Jean-François Prevéraud

Pour en savoir plus :

https://ionq.com

https://www.quandela.com

https://www.c2n.universite-paris-saclay.fr/fr

https://teratec.eu/activites_quantiques/index.html