Le « monde d’après » sera forcément quantique
Il y a plus de soixante ans, elle avait déjà passablement bouleversé nos vies en permettant l’invention du laser et du transistor. Aujourd’hui, à l’aube de sa deuxième révolution, la physique quantique nous promet une rupture encore plus radicale avec le monde que nous connaissons.
Marko Erman, directeur scientifique de Thales, nous en donne un avant-goût
Marko Erman, on disserte beaucoup sur le « monde d’après ». Comment le voyez-vous ?
Il serait prématuré et présomptueux de ma part de dessiner le monde tel qu’il sera au sortir de cette crise sanitaire, économique et sociale majeure et inédite par bien des aspects. Permettez-moi juste de partager quelques réflexions. Par exemple, je pense que cette crise a profondément renforcé la prise de conscience de la société concernant les grands défis qui se posent à elle : santé, éducation, environnement, sécurité sont clairement « en haut de la pile », comme l’on dit.
Ces préoccupations figurent d’ailleurs au centre des plans de relance, qu’ils soient nationaux ou européen. Prenez, par exemple, le quatrième programme d’investissements d’avenir (PIA 4) annoncé au début de l’année par le gouvernement français. Quels sont les priorités de ce plan ? Le numérique bien sûr mais aussi la recherche médicale et les industries de la santé, les villes de demain, l’adaptation au changement climatique ou encore l’enseignement numérique, sans oublier les innovations et les technologies dites « vertes » auxquelles un tiers de ce PIA aux est consacré.
On a également pu constater combien les technologies numériques ont augmenté la résilience de la société confrontée à la pandémie et à ses conséquences sanitaires, économiques et sociales. Du télétravail aux transactions de toute nature, le « distanciel » a pris un essor jamais vu…
Mais, dans le même temps, les cybercriminels n’ont jamais été aussi virulents…
Ce qui démontre le caractère indispensable de la cybersécurité afin de pouvoir profiter des apports positifs du numérique sans en craindre les menaces. Et aussi la nécessité d’explorer de nouvelles voies pour protéger nos sociétés des nouvelles menaces. Quand je parle de nouvelles voies, je veux dire des innovations de rupture qui permettront d’adresser ces grands défis dont je parlais et de contribuer à les relever.
Et parmi ces innovations de rupture, il y a la physique quantique dont on parle beaucoup actuellement…
L’utilisation des propriétés quantiques ouvre en effet des perspectives innombrables sur le plan industriel, de la mobilité à la défense en passant par la santé et l'environnement car il n'y a presque aucune limite à l'inventivité et aux idées que l'on peut avoir de l'application de ces technologies.
Quels domaines, plus précisément, cette nouvelle révolution va-t-elle bouleverser, disons à court ou moyen terme ?
Il y en a principalement trois : les capteurs, les communications et les ordinateurs. Les ordinateurs quantiques vont être capables de résoudre des problèmes d’optimisation et de simulation impossibles pour les ordinateurs classiques actuels et futurs. Quand je dis impossibles, je veux dire qu’ils nécessiteraient des milliers ou des millions d’année de calcul.
L’un des marchés qui va se trouver bouleversé rapidement est celui de la santé. Le vaccin ARN messager a montré la puissance de la Deep Tech lorsqu’on est capable d’agir au niveau cellulaire ou moléculaire. Ce n’est qu’un début, le traitement de nombreuses maladies, en particulier du cancer, pourrait en être fondamentalement changé. Mais avant d’en arriver là, il est essentiel d’observer, comprendre et modéliser ce monde moléculaire et cellulaire. Ce que vont pouvoir faire les ordinateurs quantiques capables de modéliser des molécules complexes composés de milliers d’atomes, comme par exemple des protéines ou d’autres molécules du vivant. Et à la clé, ce sont de nouveaux traitements, « ciblés » de manière très fine, qui devraient pouvoir nous être proposés.
Par ailleurs, les capteurs quantiques pourront offrir des modalités d’imagerie médicale (comme l’IRM d’aujourd’hui) suffisamment « pointues » pour fournir des informations au niveau cellulaire et moléculaire.
Les performances de détection d’ondes radiofréquence des capteurs quantiques pourraient aussi ouvrir des perspectives passionnantes pour observer, en temps réel et avec une résolution spatiale au-delà de ce qui est possible aujourd’hui, le fonctionnement du cerveau. Alors que les maladies dégénératives détruisent la qualité de vie d’un nombre croissant de personnes, il est important de mieux comprendre le fonctionnement du cerveau, de détecter très tôt des anomalies, des lésions, des troubles cognitifs, mais aussi de mesurer avec précision l’effet et l’action des médicaments. Les capteurs quantiques pourront utilement contribuer à ce très grand défi.
Autre défi que vous évoquiez, le dérèglement climatique. Quel rôle la physique quantique peut-elle jouer pour le relever ?
Dans son utilisation, toute technologie a un double impact sur l’empreinte carbone: un impact direct qui augmente cette empreinte - la consommation électrique - et un impact indirect qui améliore cette même empreinte. La technologie peut en effet diminuer la consommation électrique du système dans lequel elle est placée. C’est en regardant le + et le – que l’on peut conclure si une technologie est bénéfique ou pas pour l’environnement.
Dans la majorité des cas, la consommation électrique d’un système quantique est bien moindre que son équivalent conventionnel.
L’ordinateur quantique, par exemple, aura besoin d’un cryostat à très basse température (proche du zéro absolu) pour une taille de quelques mètres cube. Sa consommation électrique va se mesurer en kW. Aucun super-ordinateur classique (HPC) n’aura la même puissance de calcul et ceux qui existent déjà ont une consommation qui se mesure en MW parce qu’ils peuvent utiliser jusqu’à plusieurs millions de processeurs.
Quant aux capteurs quantiques, dans un grand nombre de cas, ils sont très miniaturisés mais seront aussi – pour les capteurs RF – extrêmement large bande. Pour capter le même spectre, il faudrait en technologie classique beaucoup de capteurs, dont certains des milliers de fois plus grands que la version quantique. Le bilan énergétique est donc là aussi, à l’avantage du quantique.
Venons-en maintenant à l’impact indirect. Là encore, la balance penche nettement en faveur du quantique.
En effet, les ordinateurs quantiques sauront optimiser un très grand nombre de systèmes en réduisant l’empreinte carbone : gestion de trafic, distribution de l’énergie, collecte et traitement de déchets, gestion des ressources, etc. Autant de problèmes qui, pour la plupart, ne sont pas solvables avec les ordinateurs actuels au-delà d’un certain nombre de variables.
Les ordinateurs vont aussi permettre de concevoir de nouveaux matériaux aux propriétés optimisées pour, par exemple, améliorer considérablement l’isolation thermique ou concevoir des objets avec les mêmes performances mécaniques mais plus légers.
Les capteurs quantiques, comme par exemple des gravimètres1 extrêmement sensibles – permettant d’atteindre des ordres de grandeur sans commune mesure avec ce qui existe aujourd’hui – vont permettre une observation de la Terre extrêmement fine et de mieux comprendre les changements en cours.
Vous avez parlé des ordinateurs et de capteurs quantiques. Qu’en est-il des communications ?
La physique quantique va apporter un nouveau niveau de sécurité aux communications. En effet, une clé quantique (c’est-à-dire une suite de qubits2 pour lesquels l’état quantique constitue le code) est inviolable de par les lois de la physique quantique : quand on lit (décode) la clé, on la détruit. Toute intrusion est donc « visible ».
Le principe de ces communications quantiques a été démontré il y a pratiquement déjà une dizaine d’années mais il s’agissait de liaisons point-à-point. La distance est limitée par l’absorption dans la fibre, car si on utilisait des répéteurs classiques (ou des amplificateurs) ils détruiraient aussi le code quantique. Concrètement, cela signifie que la longueur de liaison est donc dans la gamme de 50 à 150 km.
Aujourd’hui, on veut démontrer la capacité à faire des réseaux quantiques à l’échelle d’un continent de la taille de l’Europe. Pour échapper à la limitation de l’absorption induite par la fibre, la solution consiste à distribuer les clés quantiques à partir de satellites vers des réseaux quantiques métropolitains où les fibres sont suffisantes et pratiques pour connecter un grand nombre d'abonnés, dans un rayon de plus de 100 km.
Actuellement, l’Europe travaille sur de tels réseaux de communications avec des projets conduits par différents consortiums, dont Thales et Thales Alenia Space sont des membres importants, et soutenus par l’ESA, Horizon Europe et les Etats Membres.
Dans la quête de réseaux de communications très sûrs, et nous avons vu combien la cybercriminalité constitue une menace croissante, le quantique est une voie qui doit être explorée en vue de protéger ce qui est essentiel pour les Etats, les institutions, les entreprises et aussi les citoyens.
Nous touchons là la question de la souveraineté…
A l’évidence, et c’est ce qui explique la compétition à laquelle se livrent les Etats-Unis et la Chine pour maîtriser ces technologies.
Et l’Europe ?
L’Europe dispose de ressources scientifiques académiques et industrielles de premier plan dans ce domaine. Elle peut tout à fait tirer son épingle du jeu, à condition qu’elle décide d’en faire une priorité stratégique et de mobiliser les ressources nécessaires. J’ai bon espoir que la crise a servi aussi à faire prendre conscience que la physique quantique est l’une des voies qui nous aidera à construire cet avenir de confiance auquel nous aspirons tous.
1 Instrument de mesure destiné à quantifier le champ de pesanteur.
2 Dans la logique binaire de notre informatique traditionnelle, l’information est codée avec des 0 et des 1 (les bits). Dans le monde quantique, le « qubit » peut valoir à la fois 0 et 1.
