Sommes-nous à l'aube d'une ère quantique ?

L'informatique quantique a parcouru un long chemin, depuis le rêve de Richard Feynman dans son discours inaugural de 1981, en passant par les développements théoriques de plus en plus sophistiqués qui ont suivi dans les années 90, jusqu'aux premières réalisations de bits quantiques expérimentaux au cours des 20 dernières années. Aujourd'hui, nous commençons à voir les premières machines équipées de quelques dizaines de qubits connectés par des portes quantiques entièrement réversibles, qui tentent de résoudre des défis théoriques de référence. On n'en est pas encore au calcul de problèmes de la vie réelle, mais on s'en rapproche un peu plus tous les mois, dans une voie qui semble faire écho à la croissance spectaculaire de la microélectronique.

Google a déclaré avoir atteint la "suprématie quantique" en 2019, une affirmation ensuite contestée par les ingénieurs d'IBM. IBM et Google utilisent tous deux des qubits fabriqués avec des composants supraconducteurs. IBM vient d'annoncer son nouveau jalon il y a quelques semaines, avec un dispositif de 127 qubits. En juin, le Sénat américain a adopté la loi sur l'innovation et la concurrence, financé avec 250 milliards de dollars sur 5 ans, comprenant des investissements importants sur les technologies de l'information quantique. De l'autre côté du Pacifique, avec une enveloppe financière à la même hauteur dont une dizaine de milliards de dollars dans un laboratoire d'information quantique, la Chine espère faire des percées importantes dans ce domaine d'ici à 2030. D'ores et déjà, une équipe de l'Université des sciences et technologies de Chine à Hefei a indiqué avoir atteint la suprématie quantique avec deux technologies différentes, utilisant l'optique linéaire ou les qubits supraconducteurs, à seulement un an d'intervalle.

En ce qui concerne l'Europe, la Commission européenne a lancé en octobre 2018 le programme Quantum Technologies Flagship, pour soutenir la recherche en sciences quantiques sur une période de dix ans, avec un budget d'un milliard d'euros. Le Royaume-Uni a annoncé des investissements notables, tout en s'appuyant sur la technologie fournie par la start-up américaine Rigetti. L'Allemagne a suivi une stratégie similaire, en associant 2 milliards d'euros d'investissements nationaux à une technologie quantique américaine importée d'IBM. La France suit, comme d'habitude, une voie plus originale, avec par exemple le développement d'un système de recuit quantique à grande échelle (un concept quelque peu différent de l'ordinateur quantique à base de portes logiques) par la start-up Pasqal, parallèlement à un financement de 1,8 milliard d'euros sur 5 ans, dont la moitié est publique.

Quel pourrait être le rôle d'un grand institut comme l'IEMN dans une telle "course folle" ? Nous travaillons, certes, sur un certain nombre de projets dans les domaines étroitement liés des dispositifs, des capteurs et des matériaux quantiques, mais devrions-nous chercher une place également dans ce domaine émergent de l'informatique quantique ? De nombreux groupes de recherche dans le monde sont en train d'acquérir un avantage manifeste tant dans la conception des systèmes que dans celle des algorithmes quantiques de base. Si nous voulons faire un investissement, une niche fructueuse peut sans doute être trouvée dans le développement d'applications spécifiques, un terrain intermédiaire qui commence tout juste à fleurir. Tout comme dans les années 60, le développement de langages de haut niveau tels que Fortran a permis de déconnecter les applications du matériel, en introduisant une couche symbolique à traduire en langage machine puis en code binaire, le développement de normes de codage quantique symbolique permettra d'écrire du code indépendamment d'un qubit spécifique. Des simulateurs quantiques sont déjà écrits en Java, C# ou Python, et l'on peut tester des programmes relativement simples qui peuvent fonctionner sur un véritable ordinateur quantique, sans besoin de connaissances approfondies en mécanique quantique. Les futurs ingénieurs en logiciels pourront écrire du code quantique comme les programmeurs d'aujourd'hui écrivent des applications de haut niveau, sans se soucier du fonctionnement réel d'un transistor ou d'un amplificateur opérationnel. 

Il est donc important d'identifier parmi nos nombreux projets actuels et futurs, quelques applications représentatives susceptibles d'être traduites en une simulation quantique, et certainement pas limitées à des problèmes de recherche fondamentale. Ces applications peuvent être très différentes, allant par exemple du traitement du signal à l'optimisation des réseaux dans les transports publics, de dispositifs multi-matériaux multi-physiques à des réseaux d'interaction moléculaire, et plus encore. Ces réflexions devraient être menées au moment opportun, par exemple en créant des groupes de discussion ouverts, si nous voulons sauter dans les wagons de tête du train informatique quantique.