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L'homme qui a fait de la Chine une superpuissance quantique
Jian-Wei Pan, le père chinois du quantique, est à l'origine de sa volonté de devenir un leader mondial dans des technologies qui pourraient changer des industries entières. 19 décembre 2018
Photographie de Jian-Wei Pan Noé Sheldon
Le 29 septembre 2017, un satellite chinois connu sous le nom de Micius a rendu possible une visioconférence inviolable entre Vienne et Pékin, deux villes à l'autre bout du monde. Alors qu'il traversait le ciel nocturne à 18 000 miles (29 000 kilomètres) par heure, le satellite a transmis un petit paquet de données à une station au sol à Xinglong, à quelques heures de route au nord-est de Pékin. Moins d'une heure plus tard, le satellite est passé au-dessus de l'Autriche et a envoyé un autre paquet de données à une station près de la ville de Graz.
Les paquets étaient des clés de cryptage pour sécuriser les transmissions de données. Ce qui rendait cet événement si spécial, c'est que les clés distribuées par le satellite étaient codées en photons dans un état quantique délicat. Toute tentative de les intercepter aurait fait s'effondrer cet état, détruisant les informations et signalant la présence d'un pirate informatique. Cela signifie qu'elles étaient beaucoup plus sécurisées que les clés envoyées sous forme de bits classiques - un flux d'impulsions électriques ou optiques représentant un sable 0 s pouvant être lus et copiés.
Cette histoire faisait partie de notre numéro de janvier 2019
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Le cryptage vidéo était conventionnel, pas quantique, mais parce que les clés quantiques étaient nécessaires pour le décrypter, sa sécurité était garantie. Cela en a fait la toute première liaison vidéo intercontinentale à cryptage quantique au monde.
L'homme derrière cette réalisation est Jian-Wei Pan. Professeur à l'Université des sciences et technologies de Chine (USTC), parfois connue sous le nom de Caltech chinois, Pan, 48 ans, a réalisé une série de percées qui l'ont propulsé au rang de célébrité scientifique dans le pays. Son travail a été applaudi par le président Xi Jinping et il est souvent désigné dans les médias locaux comme le père du quantique.
Les communications et l'informatique quantiques sont encore naissantes, mais elles font partie des mégaprojets technologiques sur lesquels le gouvernement chinois souhaite des percées d'ici 2030. Il y voit une opportunité de mener l'ère quantique naissante de la même manière que les États-Unis ont dominé l'avènement de l'informatique et de l'information. révolution qu'elle a déclenchée.
Pan, qui est devenu en 2011 le plus jeune membre de l'Académie chinoise des sciences, est au cœur de cet effort.
Dans une interview avec MIT Technology Review, Pan a parlé de l'importance de la collaboration internationale, mais il a également précisé que la Chine voit une fenêtre unique pour façonner le prochain méta-changement dans le paysage technologique. Nous n'étions que le suiveur et l'apprenant à la naissance de la science de l'information moderne, a-t-il déclaré. Maintenant, nous avons une chance… d'être un leader.
Les ambitions de Pan incluent un plan visant à créer une constellation de satellites couvrant le monde entier qui constitue un Internet quantique ultra-sécurisé. Également sur sa liste de contrôle : aider la Chine à rattraper – et peut-être dépasser – les États-Unis dans la construction de puissants ordinateurs quantiques. Les unités de calcul fondamentales de ces machines sont les qubits, qui, contrairement aux bits, peuvent occuper un état quantique de un et 0 simultanément. En reliant les qubits par un phénomène presque mystique connu sous le nom d'intrication, les ordinateurs quantiques peuvent générer des augmentations exponentielles de la puissance de traitement.
À l'avenir, les machines pourraient être utilisées pour découvrir de nouveaux matériaux et médicaments en exécutant des simulations de réactions chimiques qui demandent trop de travail pour les ordinateurs classiques. Ils pourraient également booster l'intelligence artificielle. Les réseaux sécurisés utilisant la distribution quantique de clés (QKD) pourraient transmettre des données sensibles pour des choses comme les transactions financières et fournir le plus grand secret pour les opérations et les communications militaires. Les chercheurs travaillent également sur des capteurs quantiques qui permettraient aux sous-marins de naviguer sans dépendre des signaux satellites, et sur un radar quantique qui pourrait être capable de repérer les avions furtifs.
L'image du récepteur montre un laser de repérage utilisé pour aider le satellite à se connecter à la station au sol.
Efforts conjoints
Malgré l'intense concurrence américano-chinoise dans les technologies quantiques, l'appel vidéo rendu possible par le satellite Micius - du nom d'un ancien scientifique et philosophe chinois - est en grande partie le résultat d'une coopération internationale.
Il est issu d'une collaboration entre une équipe dirigée par Pan et une autre dirigée par Anton Zeilinger, physicien quantique à l'Académie autrichienne des sciences. Zeilinger était le directeur de thèse de Pan dans les années 1990 et il a vu le potentiel du jeune étudiant chinois. Quand il est venu ici, il était concentré à cent pour cent sur la physique théorique, se souvient Zeilinger. Mais j'ai réalisé qu'il pouvait faire plus, alors je lui ai suggéré de passer aux expériences, et il l'a fait avec beaucoup de succès.
Avec un tel succès, en fait, que Zeilinger n'était que trop heureux lorsque son ancien élève a proposé une collaboration sur le QKD intercontinental en 2011. L'équipe de Pan avait déjà mené des expériences sur plusieurs années pour prouver qu'un système spatial pouvait fonctionner, et il a finalement obtenu le feu vert du gouvernement chinois pour construire un satellite dédié, qui a été lancé en 2016.
Faire fonctionner QKD sur le terrain est déjà assez difficile. Le faire à partir d'un satellite signifiait résoudre une foule de problèmes supplémentaires, allant de l'alignement précis des transmissions du satellite avec les stations au sol à la minimisation du nombre de photons perdus dans l'atmosphère. Les observateurs ont été impressionnés, dit Hoi-Kwong Lo, professeur de physique à l'Université de Toronto. Il ajoute : Il y a énormément de ressources consacrées au quantum en Chine, ce qui signifie qu'ils peuvent faire des choses que d'autres pays ne peuvent pas faire.
Pan prévoit un jour où les centres de données sur différents continents seront connectés via les satellites quantiques qu'il prévoit.
Les autres réalisations de la Chine incluent la construction du plus long réseau QKD terrestre au monde. La liaison terrestre de 2 032 kilomètres (1 263 milles) entre Pékin et Shanghai a également été orchestrée par Pan et envoie des clés cryptées quantiques entre les stations de cheminement, offrant un réseau ultra-sécurisé pour la transmission de données financières et autres données sensibles. Certaines villes chinoises construisent également des réseaux municipaux.
Il est difficile de mesurer exactement combien la Chine investit dans ces projets quantiques et dans d'autres, car le financement des programmes gouvernementaux est opaque. Mais Pan affirme que l'argent consacré à un prochain plan quantique national pour la Chine sera au moins du même ordre de grandeur que le projet phare Quantum Technologies récemment lancé par l'Europe, une initiative de 10 ans d'un milliard d'euros (1,1 milliard de dollars).
Bien que l'argent compte, le succès de la Chine ne se limite pas au financement de satellites et d'autres projets. Le pays bénéficie également d'une stratégie de plusieurs décennies consistant à envoyer de jeunes chercheurs à l'étranger pour apprendre auprès d'experts comme Zeilinger, puis à les inciter à poursuivre leurs travaux.
La Chine produit de nombreux articles de haute qualité sur la science quantique, et le nombre de brevets chinois déposés dans des domaines tels que les communications quantiques et la cryptographie quantique a également grimpé en flèche, dépassant de loin ceux déposés aux États-Unis et ailleurs.
Pour aider à développer de futurs chercheurs quantiques, le pays construit un laboratoire national des sciences de l'information quantique d'un milliard de dollars à Hefei qui ouvrira ses portes en 2020 ; il réunira des experts de diverses disciplines telles que la physique, l'électrotechnique et la science des matériaux. Une partie de l'argent sera destinée à un nouveau campus de l'USTC sur le même site pour former des chercheurs quantiques. Nous travaillons dur pour développer la main-d'œuvre du futur dans la technologie quantique, déclare Pan.
Il a déjà créé un centre d'information quantique et de physique quantique à l'USTC. En juin 2018, une équipe du centre a annoncé qu'elle avait établi un record du monde d'enchevêtrement de qubits, reliant 18 ensembles. Des progrès comme celui-ci nous rapprocheront du point où une machine quantique pourra enfin dépasser même le supercalculateur conventionnel le plus puissant pour certaines tâches.
Il existe également des plans ambitieux pour intensifier les efforts dans l'espace. Pan dit qu'au cours des quatre à cinq prochaines années, la Chine lancera quatre autres satellites quantiques en orbite basse, et un satellite géostationnaire en orbite haute suivra peu de temps après. La vision à long terme est de créer un Internet sécurisé quantique couvrant tout le continent qui pourrait éclipser la version actuelle. À plus long terme, la technologie pourrait un jour être utilisée pour tout sécuriser, des smartphones aux ordinateurs portables.
Jian-Wei Pan, debout devant un récepteur utilisé dans la transmission de signaux ultra-sécurisés du satellite Micius, a contribué à diriger les efforts quantiques de la Chine.
Leader et retardataire
La Chine est-elle vraiment prête à dominer l'ère quantique émergente ? Et que fera-t-il de cette domination si c'est le cas ?
La réponse à la première de ces questions est nuancée. Alors que Micius et les réseaux QKD basés au sol donnent à la Chine l'avantage - pour l'instant - dans les communications quantiques sécurisées, elle est toujours à la traîne des États-Unis dans l'informatique quantique. Cependant, comme le montre le succès de l'équipe de Pan avec les qubits enchevêtrés, elle progresse rapidement. De grandes entreprises technologiques chinoises comme Alibaba et Baidu investissent également massivement dans l'informatique quantique. Alibaba a lancé un service de cloud computing qui permet aux utilisateurs d'expérimenter des processeurs quantiques, reflétant les efforts similaires d'entreprises américaines telles qu'IBM et Rigetti.
Isaac Chuang, professeur au MIT et pionnier de l'informatique quantique, note que l'une des raisons pour lesquelles la Chine a si bien réussi en science quantique est l'étroite coordination entre ses groupes de recherche gouvernementaux, l'Académie chinoise des sciences et les universités du pays. L'Europe a maintenant son propre plan directeur quantique pour susciter de telles collaborations, mais les États-Unis ont mis du temps à élaborer une stratégie globale pour développer les technologies et constituer une future main-d'œuvre quantique.
Quoi qu'il arrive ailleurs, la Chine ira de l'avant. Pan met l'accent sur les opportunités commerciales. Les entreprises utilisent déjà le réseau Pékin-Shanghai pour expédier des informations en toute sécurité. Et il prévoit un jour où les centres de données sur différents continents seront connectés via la constellation de satellites quantiques qu'il prévoit.
Ces satellites, bien sûr, pourraient également être utilisés à des fins militaires. Elsa Kania du Center for a New American Security, un groupe de réflexion de Washington, DC, affirme que diverses parties des forces armées chinoises financent des recherches sur les communications quantiques, les capteurs et les radars. De grandes entreprises comme China Shipbuilding Industry Corporation, l'un des plus grands constructeurs de navires de guerre et de sous-marins du pays, travaillent avec des universités sur des projets quantiques. Si la Chine pense que la technologie pourrait lui donner un avantage militaire, elle pourrait se retirer des collaborations internationales et garder les innovations pour elle.
Une vision plus optimiste voit la Chine rester ouverte aux types d'échanges qui ont contribué à la transformer en une superpuissance quantique, et faire tout son possible pour profiter d'une nouvelle économie de données d'inspiration quantique. L'idée que la Chine pourrait prendre la tête ici semble inspirer ses hauts responsables : Xi Jinping a même parlé publiquement de la science quantique ouvrant une nouvelle révolution industrielle.
Quel que soit le scénario qui se déroulera en fin de compte, la Chine comptera beaucoup sur le père du quantique pour la mener au succès.
Correction : Une version antérieure de cet article indiquait qu'Anton Zeilinger est un physicien quantique à l'Université d'Autriche. Il est en fait à l'Académie autrichienne des sciences.