« C’est le moment de faire une percée dans le calcul quantique », affirme Eleni Diamanti, directrice de recherche au CNRS

Comment avance la seconde révolution quantique, cette vague de technologies reposant sur la manipulation d’objets quantiques individuels ?

Cela avance bien ! La science progresse et les transferts vers les start-up et les industriels aussi. Mais il faut reconnaître que les applications à portée commerciale restent limitées. Sur ce volet, ce sont surtout les capteurs et la cryptographie quantiques qui ont bien avancé. Le français Exail (ex-Muquans) vend par exemple un gravimètre représentant un formidable travail d’ingénierie dans les systèmes à base d’atomes froids. Il y a aussi des solutions commercialisées dans la cryptographie, essentiellement autour de la sécurisation des communications au sein d’un réseau par distribution quantique des clés. C’est une application importante qui assure théoriquement une sécurité inconditionnelle, parfaite, entre deux interlocuteurs.

Qu’en est-il du calcul quantique ? C’est là qu’il y a le plus d’attentes...

Il y a de belles avancées, de beaux progrès, tant dans la recherche que dans l’innovation, mais je pense qu’il est temps de passer un nouveau cap. On a encore quelques années, mettons cinq ou dix ans, pour prouver que les promesses faites tiennent la route. Sinon, l’enthousiasme risque de retomber un peu, même si les chercheurs continueront bien sûr leurs travaux. Il faut que l’on dépasse le stade de la preuve de concept pour démontrer une utilité pratique, afin de montrer que la puissance du calcul quantique peut être exploitée pour résoudre des problèmes ayant un intérêt pour les utilisateurs potentiels. Je suis optimiste, mais nous, scientifiques, sommes là pour calmer le “hype” ! Et rappeler qu’il y a encore du travail à faire.

Quelles sont, selon vous, les plus grandes avancées de ces dernières années ?

Dans le calcul, je citerais les travaux de Google en 2019 : la première démonstration de ce qu’on appelle la suprématie quantique [la capacité d’un ordinateur quantique à réaliser un calcul inaccessible en pratique à un ordinateur classique, ndlr] grâce à sa puce Sycamore de 70 qubits [bits quantiques, ndlr]. Même s’il s’est avéré que ce n’était peut-être pas tout à fait la suprématie quantique qui avait été démontrée, ce résultat constitue un jalon majeur. Parce qu’à partir de là, il est clair qu’on sait faire mieux qu’un ordinateur classique, même si le problème résolu n’avait pas d’utilité connue. L’autre percée scientifique incontournable, selon moi, concerne les communications. Il s’agit de la distribution par un satellite de deux photons intriqués à deux stations au sol distantes l’une de l’autre de 1 200 km. C’était en 2017 en Chine. Je constate que je ne vous cite que l’Asie et les États-Unis. C’est frustrant car nous faisons de grands progrès en Europe, mais nous avons du mal à les mettre en valeur à travers une réalisation d’ampleur. La démonstration de communication réalisée en Chine, par exemple, nous avions toute la technologie pour la faire !

Nous faisons de grands progrès en Europe, mais nous avons du mal à les mettre en valeur à travers une réalisation d’ampleur.

—  Eleni Diamanti

L’Europe serait-elle à la traîne ?

Au contraire ! On est vraiment au cœur de la dynamique mondiale dans le quantique. Le Flagship Quantique [grande initiative européenne de recherche lancée en 2018 pour dix ans, ndlr] a donné une impulsion forte. Il contribue à structurer de grandes collaborations au niveau européen, qui permettent vraiment de pousser la technologie. Les labos peuvent combiner leurs savoir-faire, et le secteur privé s’y ajouter. Il y a ainsi l’initiative QCI, qui vise le déploiement d’une infrastructure européenne de communications quantiques, avec une partie en région parisienne. J’y suis impliquée, pour la partie académique, au sein du consortium FranceQCI lancé en avril dernier et mené par Orange. L’Europe investit fortement. Elle attire aujourd’hui un grand nombre d’équipes de recherche, beaucoup de start-up, notamment en France où c’est l’effervescence. Il y a un réel intérêt pour ce qui se passe en Europe. On reçoit des délégations d’Asie, des États-Unis, du Canada...

Les percées de Google et des Chinois que vous avez citées datent de plus de cinq ans, n’est-ce pas un peu lointain ?

Effectivement. Bien sûr, il y a eu depuis de beaux résultats scientifiques, de belles démonstrations, par exemple de répéteur quantique ou la mémoire quantique très efficace qui est la technologie au cœur de Welinq, la start-up que j’ai cofondée... Plus récemment, début décembre, l’équipe de Mikhail Lukin à Harvard a publié dans « Nature » un résultat très important dans le calcul avec des atomes froids : ils sont parvenus à réaliser une correction d’erreurs pour du calcul logique sur des réseaux de quelques dizaines de qubits. Il est cependant encore tôt pour déterminer si cette avancée aura un retentissement aussi important que les démonstrations citées précédemment. Dans tous les cas, j’aimerais voir de grandes percées, et de préférence en Europe !

Les stratégies pour progresser dans le calcul quantique ont-elles évolué ?

Tout reste encore très ouvert. Du côté des objets quantiques utilisés pour réaliser des qubits, on n’a rien éliminé. Supraconducteurs, ions piégés, photons, atomes froids, silicium sont toujours dans la course. On travaille toujours à mieux les contrôler, à réduire les phénomènes de décohérence qui détruisent les états quantiques des qubits et génèrent des erreurs. On est toujours dans l’ère du Nisq [Noisy intermediate scale quantum, ndlr] : c’est-à-dire qu’on a des machines de quelques centaines de qubits bruités qu’on essaie de faire fonctionner telles quelles. C’est avec ces machines qu’il faudrait enfin arriver à montrer une accélération des calculs sur des problèmes utiles. D’un autre côté, de nombreuses équipes travaillent sur la correction d’erreurs pour arriver à ce qu’on appelle un processeur tolérant aux fautes. Là aussi, j’aimerais vraiment voir une percée. Mais c’est complexe : il faut dans cette approche un nombre encore important de qubits physiques pour corriger les erreurs. Or quand on augmente le nombre de qubits, on se heurte à des phénomènes physiques nouveaux. Et pour lever ce verrou, ce n’est pas qu’une question d’ingénierie, il faut de la science. On a encore besoin de recherche fondamentale pour avancer.

L’interconnexion quantique entre deux calculateurs permettrait en quelque sorte de passer à un processeur quantique multicœur.

—  Eleni Diamanti

Il y a aussi la piste de l’interconnexion quantique, sur laquelle vous travaillez...

C’est un domaine de recherche très récent et prometteur, et je crois que l’interconnexion est sur la feuille de route de presque tous les développeurs de machines quantiques. L’idée de base est d’interconnecter plusieurs processeurs quantiques : on transmet l’état quantique de l’un à l’autre, de façon qu’ils se retrouvent ensemble dans un état intriqué. Ils forment alors un système que l’on peut faire calculer comme un processeur unique. On passe en quelque sorte d’un processeur monocœur à un processeur multicœur. Cela pourrait aider à avoir un nombre de qubits physiques suffisant pour faire de la correction d’erreurs mais aussi pour augmenter ce qu’on appelle la profondeur de circuit, c’est-à-dire, grosso modo, le nombre et l’enchaînement de portes logiques disponibles pour les algorithmes. Il y a d’ailleurs beaucoup de travaux en algorithmie qui explorent comment exploiter de tels processeurs interconnectés. Cela reste encore assez théorique. C’est pourquoi, avec Welinq, nous voulons commencer à faire de vrais systèmes, pour amener cette interconnexion dans la réalité.

Comment réaliser cette interconnexion ?

Le principe, si l’on considère deux processeurs quantiques – deux systèmes de qubits –, c’est de générer pour chacun un photon dans un état intriqué avec son système de qubits d’origine. Ensuite, on réalise sur ces deux photons une mesure, dite de Bell, qui va les intriquer et donc intriquer les deux systèmes de qubits. Et voilà : les deux processeurs sont désormais dans un état commun intriqué. On appelle ça un transfert d’intrication, c’est une généralisation de la téléportation quantique.

En pratique, le premier enjeu, majeur, est de parvenir à extraire un photon d’un système de qubits. Il faut une interface photonique adaptée à la nature du qubit. Et il faut qu’elle soit efficace, c’est-à-dire, comme les processus sont probabilistes, que la probabilité d’émettre un photon soit maximale. Le deuxième enjeu est celui de la mémoire : en général, toujours à cause de la nature probabiliste des phénomènes impliqués, on ne peut pas être assuré d’obtenir simultanément les photons des deux processeurs. Il faut donc que, de chaque côté, une mémoire conserve l’état quantique du photon émis jusqu’à ce que les deux photons aient été reçus, pour les renvoyer ensemble vers le détecteur qui réalise la mesure de Bell. Et pour que l’ensemble de ce processus soit exploitable, il faut que tous les ingrédients, l’interface, la mémoire et le détecteur soient assez efficaces.

Votre start-up Welinq développe une telle mémoire. Où en êtes-vous ?

Nous sommes en train de mettre en place la mémoire conçue par Welinq, dont le design est suffisamment compact pour rentrer dans un rack de taille raisonnable. Nous travaillons avec des nuages d’atomes de rubidium refroidis par laser, tels ceux qu’utilise Muquans dans ses gravimètres. Lorsque le photon extrait d’un processeur est capturé par un atome, ce dernier passe dans un état excité, stable pour quelques dizaines ou centaines de microsecondes. Durant ce temps, il conserve en quelque sorte l’état quantique du photon. Puis, avec un autre faisceau laser, le photon est réémis, portant toujours l’état quantique du photon initial. Enfin, il faut qu’on mesure ce photon avec notre détecteur. Le tout, encore une fois, avec une efficacité suffisante. Nous comptons réaliser un prototype de mémoire à la fin de l’année, puis une interconnexion quantique à l’horizon de trois à quatre ans.

Cette mémoire pourrait aussi servir comme répéteur pour réseau quantique...

C’est l’autre grande application visée. Dans un réseau longue distance de processeurs quantiques, le petit nombre de photons impliqués fait que même la faible absorption des fibres optiques est rédhibitoire. Par ailleurs, on ne peut amplifier le signal sans détruire les propriétés quantiques. Un répéteur quantique peut résoudre le problème en transférant l’intrication quantique de proche en proche, toujours avec une mémoire pour assurer la synchronisation. On est en train de connecter avec une fibre mon labo et le laboratoire Kastler Brossel où mon collègue Julien Laurat, cofondateur de Welinq, a une mémoire de labo. On veut réaliser une démonstration à petite échelle d’intrication de mémoires à distance. Ensuite, nous pourrons passer à de plus longues distances.

Quels seraient les usages d’un réseau de machines quantiques interconnectées ?

Un tel réseau est ce qu’on appelle un réseau d’informations quantiques. Une application importante est la sécurisation des communications. La distribution quantique de clés offre une sécurité inconditionnelle entre deux machines directement connectées, mais s’il y a des intermédiaires, comme dans tout réseau, elle a besoin qu’ils soient de confiance. Ce n’est plus le cas avec un réseau quantique fondé sur des répéteurs. Autre exemple important : les protocoles de calcul délégué à l’aveugle, qui permettront de faire travailler à distance les premiers calculateurs quantiques – qui seront des accélérateurs intégrés dans des supercalculateurs – sans dévoiler les calculs réalisés. Il faut comprendre que l’informatique quantique ne va pas remplacer l’informatique classique. On va utiliser les machines quantiques pour des applications précises et il faut donc qu’elles soient intégrées à l’infrastructure classique, de façon matérielle et logicielle. L’hybridation classique-quantique, pour le calcul et pour la communication, sera la clé.