« La seconde révolution quantique s'inscrit dans le balancier entre recherche fondamentale et technologie », pointe Jean Dalibard

Votre médaille d'or du CNRS décernée l'an passé est une nouvelle récompense pour la physique quantique, tandis que monte le thème de la seconde révolution quantique. Pourquoi un tel succès ?

Jean Dalibard Ce qui est remarquable avec la physique quantique, c'est qu'il s'agit à la fois d'une aventure intellectuelle unique et d'une source phénoménale de technologies. Elle nous force à voir le monde différemment, elle remet en cause beaucoup de choses. Et en même temps, je ne connais pas précisément la part du PIB mondial due à la physique quantique mais il est clair qu'elle est colossale. Tout ce qui relève des semi-conducteurs et donc des technologies de l'information et de la communication, c'est du quantique! Les lasers, l'imagerie médicale…La physique quantique est partout.

Que signifie pour vous le terme de seconde révolution quantique que mettent en avant de nombreux États, dont la France, avec de grandes stratégies nationales ?

J. D. La première révolution quantique, si l'on peut dire, a consisté à contrôler finement les flux de particules - les électrons dans l'électronique, les photons dans les lasers… La seconde révolution, c'est passer aux objets individuels. C'est savoir manipuler le photon unique, l'atome unique et, plus généralement, ce qu'on appelle un qubit. C'est-à-dire un élément d'information permettant de tirer parti de la spécificité quantique qui est le fait qu'un objet peut être dans deux états à la fois tant que l'on ne l'a pas mesuré. Pour moi, cette révolution, c'est d'arriver à préparer des objets individuels dans une superposition d'états, soit, du point de vue du traitement de l'information, des bits valant à la fois 0 et 1.

Christophe Jurczak C'est tout à fait ça. Dès qu'il y a superposition, intrication [le phénomène selon lequel deux particules forment un état lié et ont des propriétés corrélées, même à distance, ndlr], on est dans la seconde révolution quantique. Cela concerne en premier lieu le calcul quantique, mais aussi les autres piliers de cette révolution que sont les communications et la cryptographie. Pour les capteurs quantiques, c'est un peu plus flou, on est à la frontière, mais il y a aussi des technologies très innovantes.

J. D. Oui, il y a de la physique magnifique côté capteurs aussi. L'exemple type, ce sont les horloges atomiques, qui ont une précision phénoménale. Prenez le décalage vers le rouge (redshift) d'Einstein, soit le fait que le temps ne s'écoule pas à la même vitesse dans un champ de gravitation suivant votre position. Avant, il fallait envoyer une fusée à 20 km pour pouvoir mesurer cette variation. Aujourd'hui, une différence de hauteur de 100 microns suffit pour détecter le décalage temporel !

Cette révolution annoncée aura-t-elle autant d'impact sur la société que la physique quantique jusqu'ici ?

C. J. Je pense que oui. À terme, les applications du calcul quantique seront faramineuses. Mais il faut être clair : ce sera progressif. On est loin, très loin, d'avoir fait toute la science nécessaire pour obtenir ces calculateurs dits à correction d'erreurs - ou fault-tolerant -, capables de tenir leurs promesses. Personne ne sait si ce sera dans dix, quinze ou cinquante ans. En revanche, il va y avoir - et cela commence déjà - peu à peu des applications avec des machines non corrigées et de nouveaux algorithmes.

J. D. Cela ne va pas changer la vie de M. Tout-le-Monde de la même façon que l'électronique l'a fait, en mettant dans nos poches un ordinateur beaucoup plus puissant que celui utilisé par la Nasa pour envoyer un homme sur la Lune. Je manque peut-être d'imagination, mais je ne crois pas qu'on ait besoin de multiplier encore par 100 000 la puissance de calcul de nos terminaux. En revanche, si un ordinateur quantique, appliqué à la physique moléculaire, permet de concevoir des médicaments jusqu'ici inaccessibles, cela peut changer la vie.

La superposition et l'intrication sont les marqueurs de cette révolution, soulignez-vous. Mais ces notions étaient présentes dès les débuts de la physique quantique. Pourquoi ont-elles mis si longtemps à être exploitées ?

Ce sont les expériences sur les inégalités de Bell qui ont fait passer l'intrication dans le langage commun des physiciens.

—  Jean Dalibard

J. D. Ces notions étaient présentes, mais discutées à un niveau quasi philosophique. C'est le grand débat entre Einstein et Bohr sur l'interprétation du formalisme quantique, selon lequel le résultat d'une mesure, par exemple celle de la polarisation d'un photon, est aléatoire. Dans la vision réaliste d'Einstein, ce caractère aléatoire n'était qu'apparent : « Dieu ne joue pas aux dés », selon sa fameuse formule. C'est notre connaissance du photon - donc la mécanique quantique - qui est incomplète. Pour Bohr au contraire, la théorie est complète, il y a bien jet de dés. C'était un débat de principe. Et puis Bell est arrivé trente ans plus tard, en 1964, en proposant avec ses inégalités une expérience permettant de trancher entre ces deux visions. Là, ça devenait plus concret. Des expériences ont suivi, dont les plus célèbres sont celles d'Alain Aspect, en 1982, qui ont donné raison à Bohr. C'est ce résultat qui a fait passer l'intrication dans le langage commun des physiciens, alors que c'était jusque-là confidentiel.On s'est rendu compte que l'intrication était bien réelle et intéressante à explorer.

C. J. 1982, c'est aussi l'année de la publication de Feynman sur la simulation quantique, où il suggère que comme il est trop compliqué de calculer un système d'un grand nombre de particules, on pourrait créer un système analogue et laisser la nature faire le calcul.

J. D. Oui, et douze ans plus tard, en 1994, c'est Shor qui remet une pièce dans la machine avec son algorithme. Il découvre qu'il peut y avoir des algorithmes spécifiques capables de tirer profit de l'intrication pour accélérer énormément des calculs. Son travail a été fondateur pour l'ordinateur quantique.

L' arrivée d'un certain nombre d'outils et de technologies rend aussi possible cette exploitation des propriétés quantiques…

C. J. C'est un facteur clé! Entre les pièges magnéto-optiques [utilisés pour contrôler les atomes froids, ndlr] que j'ai vus ici, au Laboratoire Kastler Brossel, il y a vingt ou vingt-cinq ans, et ceux utilisés aujourd'hui par la start-up Pasqal, il y a un monde ! Le passage des lasers à colorant aux lasers à semi-conducteurs dans les années 1980-1990, a été une révolution. Il fallait un temps dingue pour régler les lasers à colorant !

J. D. Quasiment une personne à temps complet…

C. J. Alors qu'aujourd'hui, on va en acheter un sur étagère chez Toptica [un spécialiste allemand, ndlr].

J. D. C'est déjà fibré, il n'y a plus qu'à brancher.

C. J. Il y a aussi les pompes, l'optique fibrée, les synthétiseurs micro-ondes, les cryostats… Toutes les start-up actuelles ne pourraient pas exister sans ces technologies.

J. D. La seconde révolution quantique s'inscrit dans ce mouvement de balancier entre recherche fondamentale et technologie. Il y a souvent une vision à sens unique: un concept développé en recherche va vers le monde de la techno et ça s'arrête là. Mais ce sont des allers-retours : c'est parce que l'on a inventé des lasers accordables dans les années 1970 que l'on a pu commencer à manipuler et isoler des atomes. Maintenant, ça repart dans la technologie et on en fait des qubits. Prenez les horloges atomiques : la précision de cette technologie ouvre des perspectives fabuleuses en recherche fondamentale. On arrive désormais à mesurer le décalage temporel entre le haut et le bas d'un nuage d'atomes froids. Si on gagne encore quelques ordres de grandeur, on commencera à tester directement l'unification de la physique quantique et de la gravitation. Plus besoin de se mettre à la surface d'un trou noir !

En quelques années, une trentaine d'entreprises françaises se sont créées dans ce domaine. La seconde révolution quantique est-elle menée par les start-up ?

C. J. Pas seulement. Aux États-Unis, ce sont beaucoup les grandes entreprises qui sont actives. Outre Google et IBM, tous les grands de la défense, de l'électronique et de l'informatique ont des divisions dans le quantique.

J. D. En Europe, on a Atos…

C. J. Et Infineon et Bosch en Allemagne… On a peu d'acteurs des technologies classiques en Europe, donc le quantique y est davantage porté par les start-up. À l'échelle du fonds de capital-risque que je dirige, Quantonation, nous avons investi dans 19 sociétés en trois ans, et ça a bien accéléré ces derniers temps. En tout, cela représente près de 250 personnes.

J. D. Le nombre d'étudiants en thèse et post-doctorat [chercheurs en CDD, ndlr] qui me disent partir dans telle ou telle start-up, c'est impressionnant ! Et étrangement, ils ont le sentiment d'y avoir plus d'autonomie que dans un labo académique, alors qu'on pourrait penser que la recherche y est plus pilotée…

Il faut faire attention à ne pas dépeupler les laboratoires, car les bonnes start-up naissent des meilleures équipes de recherche.

—  Christophe Jurczak

C. J. Elle est plus pilotée, mais ce peut être de la recherche exploratoire, suivie de publications scientifiques. En tout cas, je pousse nos entreprises dans ce sens. Les technologies sont relativement immatures, il faut continuer la recherche. Mais il faut faire attention à ne pas dépeupler les laboratoires. Si on veut une industrie du quantique en France, il faut s'assurer que des chercheurs restent en poste. Le fond de l'affaire, c'est quand même d'avoir la meilleure science au niveau mondial. Les bonnes start-up naissent des meilleures équipes de recherche. Le premier critère que nous avons en tant qu'investisseur : la physique. Quelle est-elle ? Est-elle à la pointe ?

Dans quels domaines se positionnent ces start-up ? On entend surtout parler du calcul quantique…

C. J. Le calcul quantique attire l'attention, notamment des États, par son potentiel spectaculaire et son caractère stratégique. C'est aussi le calcul qui attire le plus d'investissements. Quand on a lancé Quantonation en 2018, je pensais qu'on aurait plus de start-up dans les capteurs et la communication. Mais le problème, c'est qu'elles visent généralement des marchés de niche, de moins de 1 milliard de dollars au niveau mondial, ce qui limite leur valorisation potentielle. Donc le capital-risque que je représente ne s'y intéresse pas. C'est paradoxal : des start-up avec de belles technos de capteurs ayant des applications immédiates, parfois même des start-up déjà profitables, auront plus de mal à lever des fonds que des start-up beaucoup plus spéculatives positionnées sur le calcul. Ces dernières années, les financements privés, mais aussi publics, se sont focalisés sur le calcul au détriment des autres piliers de la révolution quantique. Il faudrait corriger ce déséquilibre, c'est peut-être le rôle de l'État.

Quelles recherches menez-vous aujourd'hui au LKB ?

J. D. Dans notre groupe, nous nous intéressons beaucoup à la simulation pour étudier les supraconducteurs à haute température critique et, plus généralement, des systèmes où les électrons sont dans des états fortement corrélés, mal compris. Il s'agit de simulation au sens de Feynman, analogique. Le phénomène à étudier concerne des électrons se déplaçant dans le potentiel périodique créé par les ions d'un cristal ? Créons-en un modèle matériel avec des atomes froids à la place des électrons et des lasers à la place des ions. Même si les masses et les pas de réseaux n'ont rien à voir, on peut néanmoins s'arranger pour que la situation initiale se « mappe », se décalque, sur notre système modèle. On peut ainsi, en étudiant la physique à l'œuvre dans le modèle, remonter à celle du phénomène de départ et mieux le comprendre.

C. J. C'est passionnant, cette simulation. On parle beaucoup de la suprématie du calcul quantique, avec les qubits, mais cela fait un certain temps que la simulation a montré cette suprématie.

J. D. Sauf que l'on n'a pas encore répondu à une vraie question avec la simulation analogique !

C. J. Oui, il n'y a pas encore d'application parlante, mais on réalise déjà des choses que l'on ne pourrait pas faire avec un ordinateur classique. Je rêve d'une société qui utiliserait la simulation quantique pour calculer des matériaux quantiques, fortement corrélés, comme les matériaux 2D ou topologiques, et les synthétiser ensuite. Ce devrait être à mon sens l'application numéro un de l'ordinateur quantique ! Quand on y réfléchit, on revient à Feynman : ce que l'ordinateur quantique devrait simuler le mieux, c'est la matière quantique.