Le plus grand centre de physique des particules du monde se met aux technologies quantiques. Le 14 octobre, le Conseil européen pour la recherche nucléaire (Cern) a présenté la feuille de route de son programme Quantum Technologies Initiative (QTI), clarifiant les axes de recherche de ce programme lancé il y a un an. Informatique, capteurs et même réseaux : l’institut européen, situé à cheval sur la frontière franco-suisse, va explorer tous les aspects de la seconde révolution quantique pour améliorer ses capacités de recherche. Il entend ensuite partager les résultats de ses travaux à la communauté scientifique et industrielle.
Le programme QTI mobilise une trentaine de personnes et compte déjà 17 projets actifs, toujours menés en collaboration avec une société ou un laboratoire extérieur. Sa première année d’activité a permis d’identifier plusieurs cas d’application des technologies quantiques aux travaux du Cern – dont les accélérateurs de particules servent à étudier les composants élémentaires de la matière, comme les bosons de Higgs, ou encore la matière noire. Certains d’entre eux sont déjà prometteurs, estime Alberto Di Meglio, le coordinateur du programme.
Comprendre la matière noire
Le Cern s’intéresse d'abord à l’intégration de l’informatique quantique dans ses activités expérimentales. « Reconstruire la trajectoire d’un électron dans un accélérateur de particules demande d’étudier de nombreuses possibilités à chaque collision de cette particule avec son environnement. Cela devient rapidement très compliqué, expose dans un français parfait Alberto Di Meglio, le responsable de QTI, à L’Usine Nouvelle. L’intérêt du calcul quantique, ici, est de réduire la complexité du calcul et d’analyser de nombreuses possibilités en même temps. »
Autre perspective : utiliser le calcul quantique pour « aller au-delà du modèle standard de la physique et comprendre la matière noire ». L’usage de qubits pourrait participer à un mode d’analyse de données basée sur la détection d’anomalies. « Celles-ci sont tellement petites et rares qu’il faut des modèles de détection très précis et sensibles », observe l’ingénieur. Un modèle d’analyse quantique aura besoin de moins de données et de temps pour arriver à la même précision qu’un modèle classique. « Cela permet de créer davantage de modèles différents et de les analyser beaucoup plus vite », anticipe Alberto Di Meglio, qui cite, par ailleurs, l’apprentissage machine comme un débouché à court terme. Le Cern a notamment effectué un classement des algorithmes selon leur tolérance au bruit et leur classe d’application.
Entrer dans un atome par la simulation quantique
Le centre de recherche vise par ailleurs à optimiser certains algorithmes pour les faire fonctionner sur un nombre limité de qubits. « Nous utilisons une cinquantaine de paramètres physiques pour détecter la présence d’un boson de Higgs dans une masse de données, prend pour exemple le responsable. En principe, nous pourrions associer chaque paramètre à un qubit, mais nous n’en avons pas assez. » Reste alors à diminuer le nombre de paramètres à analyser, sans pour autant perdre en précision, et rendre l’algorithme accessible aux ordinateurs quantiques actuels.
Au-delà de l’analyse de données réelles, les scientifiques du Cern s’intéressent aussi à la simulation quantique, qui permet « d’étudier directement des processus physiques » jusqu’alors inaccessibles, explique le chercheur. « Nous ne pouvons pas entrer dans un atome, mais nous pouvons utiliser un ordinateur quantique pour créer une copie de ce que l’on cherche, argue-t-il. Ainsi, on obtient une représentation réaliste de ce que l’on aurait observé dans un atome. »
Détecter de la matière obscure
L’activité du Cern repose essentiellement sur l’expérimentation, l’observation de certaines particules élémentaires via des capteurs. Là aussi, la seconde révolution quantique a son rôle à jouer. « Peut-être que des capteurs plus précis pourraient détecter des choses que l’on ne voit pas actuellement, comme de la matière obscure », suppute Aberto Di Meglio. Il donne en exemple une grille de nanotubes de dimensions variées, réagissant au passage d’une particule.
« Chaque nanotube contient une particule qui, lorsqu’un objet le traverse, émet un photon dont la fréquence est liée au nanotube, explique-t-il. En mesurant la fréquence des photons émis par la grille, nous pouvons savoir où l’objet est passé. » Et donc, mieux le comprendre. Une approche validée par la théorie, mais dont l’ingénierie reste à réaliser.
S'inscrire dans les initiatives internationales
« Le but de l’initiative n’est pas de trouver des solutions pour demain, mais d’indiquer les directions à explorer pour les cinq à dix prochaines années », rappelle Alberto Di Meglio, qui affirme aussi mener des travaux pour adapter certains protocoles de communication aux réseaux quantiques. « Nous regardons comment distribuer des données sur des réseaux quantiques sécurisés, dit-il. Le niveau suivant étant d’imaginer des réseaux de petits ordinateurs quantiques capables de fonctionner ensemble. »
Surtout, le scientifique rappelle l’ambition du Cern : « Eviter de faire des choses trop spécifiques à la physique des particules et travailler avec les initiatives internationales comme le Quantum Flagship et ses équivalents américains, japonais et chinois pour créer des bases solides pour les technologies quantiques. » Le centre européen publie en accès libre les résultats de l’intégralité de ses travaux « pour le mettre à disposition de la science, de l’industrie et de la société ».
Une position particulière dans cette compétition où le secret est souvent de mise, motivé par les aspects stratégiques, économiques et industriels nationaux. « Le Cern est une institution basée sur la collaboration, où certaines discussions peuvent être établies dans des conditions neutres, rappelle Alberto Di Meglio. Nous n’entrerons jamais dans des discussions militaires ou de stratégie nationale. »
Un allié de poids
L'organisme utilise ainsi les technologies de Microsoft, IBM, Google ou Atos... et collabore « avec d’autres entreprises plus petites pour aider au développement des technologies quantiques dans les états membres du Cern », souligne-t-il, citant notamment des travaux sur les technologies dites habilitantes, non-quantiques mais indispensables à la fabrication de qubits.
Car le Cern est un expert de la cryogénie, essentielle pour faire fonctionner les aimants de ses accélérateurs de particules, tout comme des lasers, utilisés pour mesurer l’état quantique de particules et pouvant faire office de pièce à ions ou à atomes, utilisés dans certains calculateurs quantiques. « Nous allons faire du co-développement avec l’industrie et les laboratoires de recherche sur toutes ces technologies pour créer une expertise au sein des Etats membres du Cern », affirme Alberto Di Meglio. Autrement dit : les 23 pays membres du centre de recherche viennent de gagner un puissant allié.
