Ce sera le premier acteur français à mettre des qubits en ligne. À l’instar des IBM, D-Wave, Rigetti, IonQ, Honeywell et Xanadu, la start-up Pasqal s’apprête à rendre accessible son processeur quantique via le cloud en 2021. L’annonce, le 28 octobre 2020, de cette entrée dans la cour des grands du calcul quantique n’a pas seulement chamboulé le secteur tricolore. Elle a braqué les projecteurs sur la technologie de bits quantiques (qubits) utilisée par Pasqal : des atomes neutres, refroidis par laser.
La start-up fondée en 2019 par Georges-Olivier Reymond a opté pour des atomes de rubidium, « un métal alcalin dont les niveaux d’énergie interne, sur lesquels sont encodés nos qubits, sont faciles à mesurer avec des lasers télécoms traditionnels », explique le PDG. La spin-off de l’Institut d’optique (IOGS-CNRS) poursuit ainsi les travaux entamés dans les années 2010 sous la direction d’Antoine Browaeys et de Thierry Lahaye, tous deux conseillers scientifiques de Pasqal.
Atomes de rubidium manipulés dans un piège magnéto-optique
Achetés sous forme d’ampoule en verre, sous vide, à raison de quelques centaines d’euros le gramme – « une quantité suffisante pour travailler pendant un an », assure Georges-Olivier Reymond –, les atomes de rubidium sont placés dans un ultra-vide « de l’ordre de 10-15 atmosphère [10-10pascals, ndlr], obtenu grâce à une technologie très bien maîtrisée aujourd’hui », ajoute le PDG. Il faut tout d’abord chauffer les atomes pour les vaporiser en « un jet atomique dans lequel ils se déplacent à quelques centaines de mètres par seconde ». Ils sont ensuite ralentis à une vitesse quasi nulle grâce à un faisceau laser, « comme si on envoyait des ballons sur un véhicule qui se rapproche pour le faire ralentir ». Les atomes de rubidium sont ensuite condensés et refroidis à quelques microkelvins au sein d’un piège magnéto-optique. Ils sont isolés un par un, grâce à des pinces optiques formées par un faisceau laser fortement focalisé et démultiplié à l’aide d’un modulateur spatial de phase, qui attire chaque atome de rubidium et les sépare.
Ce procédé permet à Pasqal de créer des registres quantiques – des mémoires – sous la forme de matrices d’atomes reprogrammables à volonté, à une, deux ou trois dimensions. « La forme du registre dépend de l’application pour laquelle on veut utiliser notre machine », indique le fondateur de la start-up. La dernière étape, le calcul, soit l’évolution combinée des qubits du registre, demande de faire interagir ces atomes. À cette fin, chacun d’entre eux est excité optiquement pour être placé dans un état dit « de Rydberg ». Un état où l’un des électrons de l’atome est envoyé orbiter très loin du noyau. Au point que l’atome est comme étiré, avec d’un côté un électron chargé négativement, et de l’autre, le noyau et ses proches électrons formant un ion chargé positivement. Dans cet état de Rydberg, l’atome prend la forme d’un dipôle électrique, ce qui lui permet d’interagir fortement avec ses congénères par interaction dipôle-dipôle.
1 000 qubits à l'horizon 2023
Grâce à cette technologie, la start-up est parvenue à manipuler 100 qubits, qui seront intégrés dans le futur processeur accessible dans le cloud. Pasqal dépasserait ainsi les records atteints dans la filière supraconductrice par Google et IBM et dans celle à ions piégés par IonQ. Toutefois, à l’heure actuelle, ces qubits ne sont utilisables qu’en mode analogique, une méthode de calcul qui consiste à faire converger les atomes vers un état d’énergie minimum pour que le processeur trouve la solution optimale à un problème donné. Proche de celui de recuit quantique développé par le canadien D-Wave, qui a dépassé les 5 000 qubits, ce mode est très différent du calcul numérique, équivalent quantique du calcul classique à base de portes logiques (CNOT, SWAP…), visé par Google et IBM.
Reste qu’en quelques années, les progrès technologiques de l’équipe d’Antoine Browaeys et Thierry Lahaye, repris par Pasqal, sont impressionnants. Partie d’une poignée de qubits en laboratoire en 2011, la start-up devrait savoir en manipuler 200 cette année et 1 000 en 2023. « Des objectifs très similaires à ceux d’IBM. Le défi de ce dernier sera d’augmenter, en nombre, ses qubits très fiables ; celui de Pasqal, d’obtenir une meilleure fiabilité pour ses nombreux qubits », résume Christophe Jurczac, son président non exécutif. L’ascension rapide de Pasqal est aussi celle d’une « technologie restée sous les radars jusqu’au début des années 2000, lorsque Philippe Grangier, dont j’étais l’étudiant en thèse, a mis au point une méthode pour isoler les atomes », rappelle Georges-Olivier Reymond.
Supériorité de l'analogique
La fiabilité des qubits à atomes neutres posait cependant problème, même si de nouveaux algorithmes, moins sensibles aux erreurs, ont ouvert de nouvelles perspectives pour le calcul analogique. « Quand Georges-Olivier est venu me voir en 2012 pour créer une start-up, je n’y ai pas cru car la fiabilité de nos qubits était encore trop mauvaise, confesse Antoine Browaeys dans le podcast Decode Quantum. C’est l’aiguillon de la concurrence américaine qui m’a convaincu, quand j’ai reçu un coup de fil de Ben Bloom en 2018, qui venait de fonder Atom Computing.» Depuis, Pasqal compte deux autres concurrents directs : ColdQuanta et Quera.
La start-up française ne compte pas se faire devancer. Elle veut être la première à démontrer un avantage quantique commercial. S’il n’écarte pas totalement le calcul numérique, Georges-Olivier Reymond est persuadé que la réponse se trouve dans l’analogique, plus accessible et moins sensible aux erreurs. « C’est ce qu’a récemment démontré un article scientifique publié par Atos, insiste-t-il. Un processeur quantique analogique est plus rapide, plus précis ou moins consommateur d’énergie qu’un calculateur classique pour certains usages.» Pasqal utilise d’ailleurs ce mode de calcul pour aider EDF à optimiser les plannings de charge de véhicules électriques.
10 à 20 millions d’euros pour concrétiser ses ambitions
La start-up multiplie aussi les partenariats : avec Atos pour le calcul hybride, avec Rahko, ParityQC et Cambridge Quantum Computing pour développer des algorithmes adaptés à son futur processeur quantique analogique, avec Unitary Fund pour ouvrir son futur calculateur quantique numérique à l’interface de programmation open source QuTiP – il l’est déjà avec Cirq, l’équivalent de Google. La start-up est même dans l’attente d’installer une machine au Très Grand Centre de calcul du CEA ainsi que dans un centre de supercalcul européen d’EuroHPC.
Pour accompagner ses ambitions, Pasqal a déjà levé 3 millions d’euros auprès de Bpifrance, Quantonation et TPY Capital. Elle espère en lever entre 10 et 20 millions en 2021. « Encore faudra-t-il que l’État français accélère sur le plan et débloque des financements, alerte le PDG. À titre d’exemple, nous avons reçu le grand prix du concours d’innovation i-Lab en juillet 2020 et, plus de six mois plus tard, je suis encore en train de me battre pour recevoir l’avance de trésorerie promise, de 280 000 euros… »
