Développer des batteries plus performantes, optimiser les réseaux électriques, trouver de nouveaux matériaux pour la capture du carbone dans l’air, améliorer l’aérodynamisme des avions… Voilà ce à quoi pourrait servir le calcul quantique dans les prochaines années, à en croire les cas d’usage avancés par des entreprises comme Volkswagen, EDF, Total et Airbus. Toutes prônent le rôle décisif de cette technologie dans la lutte contre le réchauffement climatique. Et pour cause : le mode de fonctionnement de ces nouvelles unités de calcul doit permettre de simuler à l’échelle atomique les réactions chimiques et le comportement de la matière, ou encore de résoudre aisément des problèmes à la complexité jusqu’alors exponentielle. Dans les scénarios les plus fous, cela ouvrirait la voie à des ciments zéro carbone, des panneaux photovoltaïques surperformants ou de nouveaux carburants synthétiques. Mais gare à l’excès d’optimisme.
D’abord, car la technologie en elle-même est incertaine. Limités à quelques qubits sensibles aux interférences, les calculateurs quantiques actuels restent cantonnés à des démonstrateurs dont les résultats sont loin de concurrencer les méthodes conventionnelles. Un processeur plus abouti, comptant plusieurs milliers de qubits parfaits, sera indispensable pour viser des retombées d’ampleur. «Il reste encore des verrous à lever pour passer à l’échelle», rappelle Jean-François Bobier, expert quantique au BCG. Les projets menés dans les entreprises – souvent avec des start-up spécialisées – se contentent généralement de simuler quelques qubits sur un calculateur conventionnel pour développer un algorithme théorique… qui sera exécuté, à terme, sur une machine encore inexistante.
Rien de concret avant au moins dix ans
«Les pistes explorées sont bonnes, mais il faut rappeler l’horizon temporel. Nous sommes largement cinq à dix ans avant les premiers cas concrets», affirme Olivier Tonneau, le cofondateur du fonds d’investissement spécialisé Quantonation. Et ces premières applications resteront limitées. Exécutées sur des processeurs quantiques imparfaits intégrés dans des centres de calcul intensif, elles devraient permettre d’améliorer certaines simulations numériques ou des calculs. Afin, par exemple, de trouver un gain environnemental dans les chaînes logistiques ou la conception de véhicules. Les cas d’usage majeurs, eux, devront attendre la prochaine décennie, voire au-delà, avant d’être mis en œuvre, estiment les experts. Si des pistes émergent, notamment dans la recherche de nouveaux matériaux, il faut encore identifier les problèmes computationnels posés par la crise climatique auxquels le calcul quantique pourra réellement s’attaquer. Une mission confiée par Quantonation à Pauline Boucher. Recensant «les articles scientifiques pertinents et rigoureux sur le sujet» dans un livre blanc, cette docteure en physique constate que «beaucoup d’affirmations sont peu étayées».
Exemple avec un cas d’usage souvent mis en avant comme potentiellement majeur. «L’ordinateur quantique pourrait permettre de mieux comprendre le mécanisme de la création naturelle d’engrais, dont on sait qu’il repose sur l’enzyme nitrogénase mais dont on ne comprend pas le fonctionnement, et ainsi ouvrir la voie à sa reproduction à l’échelle industrielle», affirme Jean-François Bobier. De quoi verdir drastiquement une industrie qui consomme 2 à 3 % du gaz naturel, estiment certains. Reste que simuler ce processus chimique sera très gourmand en capacité de calcul. Le consensus scientifique considère donc que cette application ne sera pas pour tout de suite. Idem pour de nouvelles chimies de batteries ou de nouveaux matériaux – de capture du carbone comme de construction –, qui demandent de simuler de très nombreuses interactions moléculaires… et donc de manipuler autant de qubits.
Pas gagné. D’autant que réaliser tous ces calculs n’est qu’un début ! «Le quantique doit permettre de faire des simulations impossibles à exécuter aujourd’hui, rappelle la spécialiste. Ce sera un outil aux mains des scientifiques pour répondre à des questions fondamentales, mais il ne permettra pas, par exemple, de trouver un nouveau matériau d’un coup.» Après le calculateur efficace s’ajouteront ainsi la recherche, l’industrialisation, le déploiement des solutions imaginées… et tous les aléas qu’ils comportent. Soit un temps long. Le calcul reste un outil numérique offrant des réponses théoriques, qui ne garantit en rien leur faisabilité ou leur prise en main par des industriels. «Il ne faut pas évacuer les considérations économiques», insiste Jean-François Bobier.
Quels impacts à court terme ?
Faut-il en déduire que le quantique est une chimère de techno-solutionnistes qui comptent sur la technologie pour résoudre tous les maux ? Pas forcément. Des bénéfices climatiques plus modestes sont bel et bien attendus «à assez court terme», selon Olivier Tonneau. L’apport du calcul quantique dans la simulation pourrait par exemple permettre de renforcer l’aérodynamisme des avions ou de formuler de nouveaux catalyseurs afin d’améliorer le fonctionnement des batteries sans les transformer en profondeur. «Même une optimisation de quelques pourcents du réseau électrique pourrait avoir un impact non négligeable», envisage Pauline Boucher.
C’est justement pour identifier ces cas d’usage que l’initiative Q4Climate a été lancée, au Canada, par Karl Thibault. «L’idée est d’identifier des problématiques de recherche sur lesquelles les technologies quantiques peuvent avoir un impact à court ou moyen terme, car le changement climatique est urgent, explique le chercheur de l’université de Sherbrooke. Nous disons aux chercheurs : “Si ça vous intéresse, lancez des projets pour essayer de lutter contre le réchauffement climatique plutôt que pour améliorer des modèles financiers.”» Il propose aussi, plus globalement, de repenser les attentes vis-à-vis du calcul quantique. «On cherche à faire des calculs plus rapidement, mais s’il existe une manière de faire le même calcul en prenant deux fois plus longtemps et en consommant cent fois moins d’énergie, cela peut valoir la peine de changer de manière de faire.» Une philosophie que la Française Alexia Auffèves, du CNRS, prône également via l’initiative Quantum Energy.
Dans cette perspective, l’arrivée de processeurs quantiques pourrait déjà augmenter l’efficacité énergétique du numérique. De même que les processeurs graphiques (GPU), un processeur quantique pourrait apporter un gain sur certains calculs en s’inscrivant dans les supercalculateurs existants. Au-delà, la technologie devra s’intégrer dans un panel d’outils de réponse au dérèglement climatique, qui reste «un problème multifactoriel», rappelle Greg de Temmerman, le directeur du think tank Zenon Research. «L’ordinateur quantique ne sera pas plus performant sur tous les fronts et ne pourra pas être la réponse à tout, insiste-t-il. S’il existait une solution miracle, ce serait formidable.» Aussi puissant soit-il, le calcul quantique ne pourra porter seul la lutte pour le climat. Il devrait cependant y trouver une place d’importance… si les entreprises en font bon usage.
« Ne pas laisser le quantique devenir un gouffre énergétique »
Alexia Auffèves Directrice de recherche au CNRS
En quoi consiste l’initiative Quantum Energy que vous avez lancée en août ?
Elle est partie d’un article que j’ai publié en juin [intitulé « Quantum technologies need a quantum energy initiative », ndlr], plaidant pour l’intégration de la question énergétique dans le développement des technologies quantiques. Nous avons ensuite lancé un manifeste sur le sujet afin de recenser les bonnes volontés et, à terme, coordonner la communauté autour de ces questions. Nous développons une méthodologie scientifique – à la frontière entre la thermodynamique, l’informatique quantique et l’ingénierie – visant à mesurer et optimiser la consommation énergétique pour une performance de calcul, de mesure ou de communication quantique. Si on développe une technologie, il est important de savoir ce qu’elle va consommer.
Y a-t-il un lien avec l’initiative canadienne Q4Climate ?
Q4Climate aborde le problème en cherchant des cas d’usage participant à la lutte contre le changement climatique. Nous cherchons à traiter les machines quantiques pour que leur fonctionnement ne soit pas trop coûteux pour l’environnement. Ce sont deux aspects du problème. Il en reste un troisième, l’éco-conception, qui s’intéresse davantage au cycle de vie des matériaux utilisés dans la fabrication des composants quantiques. Mais je ne crois pas que quiconque se penche sur la question pour le moment.
La course à l’avantage quantique fait-elle partie du problème ?
Cela dépend de quel avantage nous parlons. L’avantage quantique computationnel, c’est réduire le temps d’un calcul. Nous, nous parlons d’énergie. Il est possible d’optimiser l’un ou l’autre, mais pas les deux à la fois. Nous pourrions atteindre des régimes où le calcul quantique serait beaucoup plus lent, mais beaucoup moins consommateur. Dans des temps où l’énergie est limitée, disposer de calculateurs capables de résoudre des problèmes sans trop consommer pourrait être intéressant. Ce sont des options sur lesquelles il faut se pencher dès maintenant pour ne pas laisser le quantique devenir un gouffre énergétique. #
