L'Europe dévoile sa vision d'un avenir quantique

La course à la conquête du monde quantique est l'une des plus férocement concurrentielles de la technologie. La Chine et les États-Unis ont tous deux investi des milliards dans le développement de nouvelles façons d'exploiter les étranges lois de la physique auxquelles les effets quantiques donnent accès. La promesse est une nouvelle ère de l'informatique et de la communication et, bien sûr, des richesses insoupçonnées.

Dans toute cette effervescence, une partie du monde est laissée pour compte. L'Europe a une riche histoire d'innovation en physique quantique, mais a commencé à prendre du retard sur ses concurrents mondiaux ces dernières années.

C'est pourquoi la Commission européenne a annoncé en 2016 qu'elle investirait un milliard d'euros dans un effort de recherche connu sous le nom de Quantum Technology Flagship. L'objectif de ce projet est de développer quatre technologies : la communication quantique, la simulation quantique, l'informatique quantique et la détection quantique. Après presque deux ans, comment ça se passe ?

Le contrôle des systèmes quantiques est un défi de taille.

Aujourd'hui, nous en avons un aperçu grâce à la publication de la feuille de route européenne des technologies quantiques, une version mise à jour du document qui définit les objectifs du projet pour les 10 prochaines années. En particulier, il décrit deux domaines émergents qui ont suscité moins d'intérêt dans d'autres parties du monde : les logiciels quantiques et le contrôle quantique. Celles-ci pourraient avoir des implications importantes pour l'avenir des technologies quantiques européennes.

Le document commence par décrire les domaines d'intérêt. La première, la communication quantique, offre la possibilité d'envoyer des données d'un endroit à un autre en toute confidentialité, garantie par les lois de la physique. Cela devient de plus en plus important car une autre technologie, l'informatique quantique, sera bientôt capable de casser le cryptage couramment utilisé aujourd'hui. La communication sécurisée est l'un des fondements de la société moderne, permettant le commerce électronique et garantissant la confidentialité des communications commerciales, gouvernementales et militaires.

Le problème est que les systèmes de communication quantiques existants sont coûteux et complexes à gérer et à exploiter. La prochaine étape dans l'évolution de ces systèmes consiste à les rendre beaucoup plus faciles à gérer.

La commission dit que c'est imminent : Le développement de systèmes [de communication quantique] autonomes sur des distances métropolitaines est prévisible dans les trois prochaines années, ce qui permettra de réduire les coûts de déploiement, les taux de clé sécurisés élevés (> 10 Mbps) et le multiplexage.

Un autre problème est que la communication quantique ne fonctionne que sur des connexions point à point d'environ 100 kilomètres. Les chercheurs travaillent donc également sur des routeurs quantiques capables d'envoyer les signaux beaucoup plus loin. Dans 6 ans, nous verrons probablement [des systèmes de communication quantique] dans des réseaux de banc d'essai, démontrant de longues distances via des nœuds de confiance, des systèmes de plate-forme à haute altitude ou des satellites, ainsi que des réseaux intra-urbains multi-nœuds ou commutables, qui tous nécessitent le lancement de projets d'infrastructure à grande échelle, indique le rapport.

Le domaine suivant est le calcul quantique, qui utilise des processus quantiques pour générer des performances de traitement de données impressionnantes. Cela a été possible à l'échelle de quelques bits quantiques, ou qubits, pendant quelques années. Aujourd'hui, le défi consiste à faire évoluer les ordinateurs quantiques à 100 qubits ou plus.

Cette feuille de route décrit cinq façons potentielles d'y parvenir, en utilisant des systèmes qui stockent et traitent les informations quantiques de différentes manières. Celles-ci incluent le stockage des informations dans des ions piégés dans un champ magnétique ou dans des noyaux atomiques intégrés dans du silicium ou du carbone, dans le flux de courant à travers de minuscules circuits supraconducteurs ou dans des photons voyageant à travers des circuits photoniques.

La commission s'attend clairement à un traitement quantique à grande échelle utilisant une ou plusieurs de ces technologies d'ici cinq à dix ans. Que cela se fasse d'abord en Europe est beaucoup moins clair.

La simulation quantique est le troisième domaine d'investissement. Simuler des propriétés quantiques complexes sur un ordinateur ordinaire est presque impossible. Mais les systèmes quantiques peuvent être conçus pour simuler plus ou moins parfaitement des aspects d'autres systèmes quantiques.

Les physiciens jouent avec différentes manières de le faire. L'idée de base est de trouver un système quantique bien compris et facile à manipuler et à mesurer, puis de l'utiliser pour simuler un système difficile à manipuler et à mesurer.

Les systèmes bien compris comprennent des atomes et des molécules ultra-froids, des ions piégés dans des champs magnétiques et des circuits supraconducteurs. Les systèmes les plus complexes que les physiciens veulent comprendre se produisent en physique des hautes énergies, en cosmologie, en physique statistique et même en biologie, où les processus quantiques semblent jouer un rôle dans le transfert d'énergie. La promesse est que la simulation quantique peut fournir des informations sur tous ces domaines.

Mais il y a des défis importants. Il s'agit notamment de trouver des systèmes intéressants qui peuvent être simulés avec les techniques existantes et de concevoir une expérience appropriée pour ce faire. En plus de cela, les physiciens doivent trouver des moyens de s'assurer que le système a correctement effectué la simulation.

On ne sait pas encore exactement dans quelle mesure cela sera possible au cours des 10 prochaines années.

Le quatrième domaine d'intérêt est la détection quantique et la métrologie. L'idée ici est que si nous voulons exploiter le monde quantique, nous devons pouvoir le mesurer et le sentir. Cela signifie mesurer l'univers à l'échelle des atomes et des photons sur des échelles de temps suffisamment courtes.

Les physiciens disposent d'une grande variété d'outils pour ce faire, mais ils doivent tous être améliorés. Ainsi, les horloges quantiques doivent être rendues plus précises, les capteurs atomiques doivent être rendus plus sensibles et les capteurs optomécaniques doivent être rendus plus performants.

La feuille de route se termine par une discussion sur deux nouveaux domaines d'intérêt. Le premier est le contrôle quantique : la capacité de manipuler des systèmes quantiques à l'aide de champs ou de forces électromagnétiques externes. L'objectif du contrôle optimal quantique est de concevoir et de mettre en œuvre des formes d'impulsions de champs externes ou des séquences de telles impulsions, qui atteignent une tâche donnée dans un système quantique de la meilleure façon possible, dit-il.

En d'autres termes, il s'agit de pousser les systèmes quantiques avec des ondes radio et des faisceaux laser pour les faire se comporter de manière spécifique. On s'attend à ce que ce type de contrôle précis des systèmes quantiques permette, entre autres, des calculs et des simulations quantiques à grande échelle.

Le deuxième de ces nouveaux domaines est le développement de logiciels quantiques, qui sont beaucoup plus difficiles à développer que les logiciels ordinaires car les qubits peuvent exister à la fois 0 sable un s en même temps. Cela signifie que plusieurs qubits peuvent effectuer de nombreux calculs en parallèle, c'est pourquoi les ordinateurs quantiques sont si puissants.

Mais extraire la réponse de ces calculs est difficile. Et cela rend les algorithmes quantiques extrêmement fragiles.

Le potentiel est que les algorithmes quantiques peuvent considérablement surpasser les calculs classiques. Mais en fait, trouver des algorithmes capables de faire cela est délicat. Ce logiciel devra fonctionner à l'échelle d'ordinateurs et de réseaux entiers. Progresser dans ce domaine peut fournir à l'Europe un moyen de devancer les concurrents qui ont un avantage dans le développement de matériel.

L'un des problèmes les plus passionnants consiste à développer une théorie de l'information quantique. La théorie classique de l'information développée dans les années 40 et 50 par le mathématicien et ingénieur Claude Shannon est devenue le fondement de l'informatique et de la communication modernes. Une théorie tout aussi puissante pour l'information quantique échappe aux théoriciens, mais en développer une est un objectif important en Europe. Tout dépendra du résultat.

Si cette feuille de route est un résumé fidèle de l'approche de l'Europe en matière de développement des technologies quantiques, ses rivaux mondiaux ne trembleront guère dans leurs bottes. Pour la plupart, le plan manque d'ambition par rapport au travail ailleurs. La Chine, par exemple, possède déjà un satellite en orbite capable de communiquer quantique avec le sol, ce qui fait l'envie de la communauté quantique du monde entier.

Les exceptions concernent les domaines du contrôle quantique et des logiciels quantiques. Il s'agit de technologies habilitantes aux applications étendues dans le monde quantique et qui pourraient constituer un tremplin important pour l'Europe.

Une grande inconnue est le rôle de l'industrie dans l'avenir des technologies quantiques. L'Europe cherche désespérément à s'associer à des entreprises telles que Google, IBM et Microsoft, qui développent toutes leurs propres technologies quantiques. Mais une grande partie de ce travail a été fait aux États-Unis jusqu'à présent. Changer cette orientation doit être une priorité si l'Europe veut tirer les bénéfices appropriés de son investissement d'un milliard d'euros.

Réf : arxiv.org/abs/1712.03773 : La feuille de route européenne des technologies quantiques

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