Mille milliards de dollars. L’estimation du poids du marché de l’informatique quantique d’ici à 2035 réalisée par McKinsey en 2020 a de quoi interpeller. Le cabinet de conseil américain a gonflé ses prévisions en prenant en compte non seulement le calcul quantique, mais également la valeur qu’il pourrait générer dans divers secteurs (santé, finance, transports…), décryptait le consultant Olivier Ezratty, analysant la « hype » quantique dans un article publié sur ArXiv en février.
Ce type d’annonces « crée une pression absolument terrible sur les fournisseurs d’ordinateurs quantiques, et notamment les start-up », juge Marc Porcheron, qui dirige une équipe d’une vingtaine de personnes chez EDF pour explorer le calcul quantique. Ces perspectives mirobolantes génèrent aussi, comme cela a été le cas pour l’intelligence artificielle, un risque. « S’ils estiment que les résultats ne sont pas au niveau des attentes ou trop longs à venir, certains investisseurs pourraient arrêter les frais, et les financements se tariraient », résumait, début juin, Olivier Ezratty dans « The Qubit Guy’s Podcast », une émission de l’éditeur israélien de logiciels quantiques Classiq.
Cinq fabricants visent plus de 1000 qubits physiques entre 2023 et 2025
Pour autant, les développeurs des technologies quantiques, eux, gardent le cap. IBM, ColdQuanta et Atom Computing ont atteint ou dépassé les 100 qubits, Google et Quantinuum ont chacun présenté, en 2021, leur premier qubit logique, constitué de plusieurs qubits physiques pour le rendre tolérant aux fautes. En juin dernier, Xanadu a rejoint Google en se targuant d’avoir montré l’avantage quantique avec son processeur photonique Borealis, disponible dans le cloud. Aujourd’hui, au moins cinq fabricants (les américains IBM, Rigetti, ColdQuanta, Quera, et le français Pasqal) espèrent franchir la barre des 1000 qubits physiques entre 2023 et 2025.
Avantage quantique
Ce terme désigne l'obtention de meilleurs résultats pour une tâche donnée avec un calculateur quantique qu'avec un calculateur classique. Par extension, on parle d'avantage quantique lorsque des moyens de calcul quantiques permettent d'obtenir un résultat similaire, mais plus rapidement ou en économisant du temps de calcul, et donc de l'énergie.
Des premiers prototypes de calculateurs quantiques sont désormais accessibles. Certains industriels ne s’y trompent pas et en profitent pour se faire la main. EDF est l’un des fers de lance de ce mouvement en France. « Nous travaillons depuis 2019 avec Pasqal [notamment au sein du projet européen Pasquans, ndlr], dont le hardware à base d’atomes neutres de Rydberg est bien adapté aux problèmes d’optimisation combinatoire qui nous intéressent », explique Marc Porcheron. Ces problèmes « couvrent quasiment tous les métiers d’EDF », ajoute-t-il. Notamment la gestion des centrales (« décider en temps réel laquelle arrêter et laquelle redémarrer ») et la recharge de véhicules électriques (« comment affecter un très grand nombre de véhicules à des bornes de recharge de manière à minimiser leur temps de charge complet »).
« Des résultats intéressants avec des circuits peu profonds »
Les équipes d’EDF profitent du mode analogique du calculateur de Pasqal, afin de tester certains programmes à petite échelle, comme l’algorithme hybride QAOA [voir l’infographie ci-dessous]. Ce dernier semble non seulement avoir « le potentiel de promettre un avantage quantique » mais également d’offrir, d’ores et déjà, « des résultats intéressants avec des circuits peu profonds », souligne Marc Porcheron – ce qui lui permet d’être exploré sur les machines actuelles imparfaites. Par intéressants, comprendre inédits. « Pour ces problèmes-là, bien souvent, il n’est possible d’obtenir qu’une solution approximée. Or, s’il n’offre pas encore de solutions plus précises que celles obtenues grâce à des moyens de calcul classique, ce type d’algorithmes hybrides nous montre déjà des chemins d’optimisation différents de ceux empruntés par nos solutions actuelles. »
À chaque algorithme, son hardware
L'adéquation entre l'algorithme et le matériel est cruciale. Comme l'illustre le cas du Quantum approximate optimization algorithm (QAOA), un algorithme hybride capable d'apporter une accélération polynomiale sur les machines bruitées. QAOA ne réclame qu'une faible intrication des qubits, un faible parallélisme des opérations (~0,3), et peut donner des résultats sur une machine bruitée (densité de mesure : 0). Pour autant, il nécessite d'exploiter simultanément un nombre de qubits relativement élevé (degré d'activation : 0,6), a un fort besoin en communication inter-qubits (1) et s'appuie sur des circuits quantiques assez complexes (rapidité d'exécution : 0,8). Autant de défis pour concrétiser l'avantage quantique.
L’énergéticien n’est pas le seul industriel à s’intéresser à Pasqal. La start-up française, qui a atteint les 200 qubits analogiques cette année, jouit aussi d’une relation de longue date avec BMW. Celle-ci s’est renforcée quand la victoire de l’équipe de Qu&Co, start-up néerlandaise de logiciel quantique, au BMW Quantum computing challenge, en décembre dernier, s’est transformée, en mai, en contrat de collaboration pour améliorer le formage des métaux qui constituent les pièces automobiles. Et pour cause : Pasqal a racheté Qu&Co un mois après la compétition, en janvier. D’après les premiers tests effectués au printemps, Benno Broer, le directeur commercial de Pasqal, revendique des résultats « 30 à 50 fois supérieurs à ceux que l’on obtient avec un autre hardware quantique, pour une méthode bien plus résistante aux bruits ».
Gestion de systèmes critiques
Thales, de son côté, s’est associé avec Pasqal fin 2021, dans le cadre d’Aquaps, un projet de deux ans financé par le Pack quantique, une initiative de la région Ile-de-France, du Genci et de l’association Le Lab quantique. Le géant tech veut, lui aussi, tester des algorithmes d’optimisation sur le processeur de Pasqal, cette fois-ci pour la gestion de systèmes critiques, « tels que des constellations de satellites militaires ou télécoms », illustre Frédéric Barbaresco, le responsable des technologies de capteurs chez Thales.
Les industriels ne veulent pas mettre tous leurs œufs dans le même panier. EDF, qui s’intéresse aussi au quantique pour résoudre des équations aux dérivées partielles afin de mieux anticiper les contraintes diverses dans la gestion de ses barrages, devrait bientôt « commencer à travailler avec Quandela et son processeur photonique », annonce Marc Porcheron, sans en dévoiler plus. Cette start-up, voisine de Pasqal à Palaiseau (Essonne), peut déjà s’appuyer sur la vente de ses sources de photons uniques pour soutenir ses efforts dans la fabrication d’un ordinateur quantique optique.
Composer avec les émulateurs
Arrivé plus tardivement dans le club des « early adopters », Naval Group n’a certes « pas encore envoyé de codes sur des machines », admet Romain Kukla, le responsable du quantique chez Naval Group Research. Mais la société française de défense a tout de même les yeux rivés sur les start-up françaises du quantique, révèle ce dernier. Après plus d’un an de veille, où la petite équipe quantique du groupe s’est intéressée, elle aussi, à l’optimisation combinatoire, elle a fait un choix audacieux : collaborer avec Alice&Bob sur l’apprentissage profond quantique, dans un projet avec l’Inria, financé par le Pack quantique d’Ile-de-France, qui doit débuter en ce mois de septembre.
Calcul analogique
Contrairement au calcul numérique qui applique des opérations logiques sur les qubits, le calcul quantique analogique consite à placer le système de qubits dans une configuration initiale correspondant au problème à résoudre puis à le laisser évoluer vers son état d'énergie minimum, ce qui donne la solution au problème.
Alice&Bob développe un processeur à base de « qubits de chats », dont les propriétés devraient permettre de se passer de codes correcteurs d’erreurs pour atteindre un calculateur quantique universel. Une technologie moins mature que beaucoup d’autres, mais prometteuse, qui a séduit Romain Kukla : « Dans les projets Pack quantique, tout le monde s’est arraché Pasqal. J’ai préféré parier sur Alice&Bob, que j’avais dans le viseur depuis longtemps, car je suis impressionné par leurs travaux. » L’engagement d’Amazon dans les qubits de chats et les 26 millions d’euros levés par la start-up française ont fini de le convaincre.
Connecter les travaux sur le software et ceux sur le hardware
« En tant que membre du Centre de calcul recherche et technologie (CCRT), situé au Très Grand Centre de calcul (TGCC) du CEA, à Bruyères-le-Châtel (Essonne), nous attendons avec impatience les machines de Pasqal, et probablement d’Alice & Bob, qui seront déployées en 2023 et couplées au Joliot- Curie, le superordinateur du Genci », s’enthousiasme-t-il. D’ici là, il faudra « composer avec les émulateurs, qui plafonnent à quelques qubits bruités », comme la QLM d’Atos ou la toute nouvelle machine cuQuantum de Nvidia, concède ce physicien quantique de formation.
« D’un côté, des cas d’usages sont explorés par les industriels, de l’autre, le gouvernement finance des machines, mais il y a peu de lien entre les deux, regrette Frédéric Barbaresco. Pourtant, le développement de compilateurs et celui du hardware seront affectés l’un par l’autre. Si on déconnecte la réflexion sur la programmation quantique et celle sur les architectures hardware, on risque d’aller dans le mur. » Et le spécialiste des capteurs chez Thales d’annoncer, en exclusivité pour « Industrie & Technologies », la collaboration de Thales avec Alice & Bob et l’École normale supérieure au sein de Quantum Computation Structures (Quacs), un nouveau laboratoire quantique rattaché à l’université Paris-Saclay pour combler ce manque.
L'Open innovation, un levier incontournable
Défricher les applications du calcul quantique pousse à innover en commun. En témoigne le partenariat entre EDF et Thales présenté fin mars à la Teratec quantum computing initiative (TQCI). Son but ? Explorer l'usage d'algorithmes quantiques pour la résolution d'équations aux dérivées partielles - afin d'optimiser la gestion de ses barrages, pour le premier, et d'améliorer le design de ses radars et antennes télécoms, pour le second. « Dans le quantique, nous sommes en phase pré-compétitive, ce qui favorise les collaborations de tout genre », s'enthousiasme Johannes Klepsch, spécialiste des technologies émergentes chez BMW, l'un des membres fondateurs de Qutac, le consortium allemand d'utilisateurs du quantique.
Inspiré par l'initiative lancée en 2020 par Thierry Botter, alors responsable adjoint du centre de R&T d'Airbus -aujourd'hui directeur de Quic, le consortium européen des industriels du quantique -, BMW a lui aussi lancé son concours quantique fin 2021. Elvira Shishenina (BMW) et Alexandre Krajenbrink (Quantinuum), deux anciens de Polytechnique au conseil d'administration du Lab quantique, ont été encore plus loin dans l'innovation ouverte en proposant, via l'association QuantX, un hackathon réunissant dix équipes constituées d'industriels, d'acteurs du quantique, d'étudiants et de postdoctorants, à Paris en octobre 2021. À leur actif : deux nouveaux utilisateurs du quantique, L' Oréal et Saint-Gobain, des contrats de collaborations signés, plusieurs recrutements et un modèle qu'ils ont franchisé à Londres, Chicago et Sherbrooke, au Canada.
