La France peut-elle réussir un saut quantique ?

Alors que l’Europe s’efforce de reconquérir sa part du marché mondial des semi-conducteurs, la France couvre ses propres paris avec l’informatique quantique.

« L’informatique quantique peut réellement perturber l’équilibre géopolitique actuel », a déclaré Maud Vinet, co-fondatrice et PDG de Quobly (anciennement Siquance). « C’est un point particulièrement important pour la France et l’Europe, car nous ne sommes pas à la pointe de la technologie des semi-conducteurs, ni du numérique en général. Notre ambition en France est d’utiliser l’informatique quantique pour faire un bond en avant. »

Pilier de la stratégie française

Pour canaliser les ressources du pays en conséquence, le président Emmanuel Macron a annoncé en janvier 2021 la Stratégie nationale quantique. « La stratégie ne se limite pas à l’informatique », a déclaré Neil Abroug, responsable de sa mise en œuvre. « Il s’agit également de détection, de communications, de cryptographie post-quantique (PQC) et de technologies classiques qui permettent les technologies quantiques. Les technologies habilitantes comprennent la cryogénie haute performance, l’électronique à faible bruit, les lasers spéciaux, les connecteurs et les câbles.

La Stratégie Quantique française est soutenue par 1,8 milliard d’euros qui seront investis sur la période de quatre ans allant de 2021 à fin 2024. Sur ce montant, les financements publics nationaux représentent 1 milliard d’euros, dont 650 millions d’euros du plan France 2030. Les 800 millions d’euros restants proviennent d’investisseurs privés.

Un pilier clé de cette stratégie est le développement de partenariats internationaux. En novembre 2022, la France, les Pays-Bas et l’Allemagne ont signé un accord trilatéral visant à encourager la coopération dans la recherche universitaire en technologie quantique et à développer un écosystème international de startups autour du développement d’ordinateurs quantiques. Également en novembre 2022, la France et les États-Unis ont signé une déclaration commune sur la science et la technologie de l’information quantique afin de faciliter les connexions et les collaborations nécessaires pour faire passer les technologies quantiques du laboratoire au marché.

Un autre pilier consiste à gérer les questions réglementaires, telles que celles liées à la migration vers PQC. La plupart des experts s’accordent sur le fait que les ordinateurs quantiques seront capables de découvrir des paires de clés asymétriques et que toutes les informations chiffrées à l’aide d’algorithmes basés sur des paires de clés asymétriques (notamment RSA et ECC) deviendront vulnérables peu de temps après l’avènement de l’informatique quantique à l’échelle industrielle. L’une des conséquences est que les informations chiffrées peuvent être capturées maintenant et stockées pour être décryptées plus tard, une fois que l’informatique quantique sera capable d’exécuter les algorithmes susceptibles de déchiffrer les clés.

Pour contrer ces menaces, l’Institut national américain des normes et technologies (NIST) s’efforce de normaliser un ensemble de techniques qui pourraient être acceptées dans le monde entier. En juillet 2016, le NIST a lancé un appel à contributions international afin de sélectionner les meilleurs algorithmes.

La communauté quantique française « a établi des consortiums qui ont participé au concours du NIST », a déclaré Abroug. En 2022, le NIST avait sélectionné quatre standards, dont trois intégrant des contributions de chercheurs français. Damien Stehlé, professeur à l’École normale supérieure de Lyon et membre du Laboratoire d’informatique parallélisme (LIP), co-auteur de CRYSTALS-Kyber et CRYSTALS-Dilithium. Pierre-Alain Fouque, professeur à l’Université de Rennes 1 et membre de l’Institut de recherche en informatique et systèmes aléatoires (IRISA), co-auteur de Falcon.

Le pilier de la stratégie quantique française qui est susceptible d’avoir le plus grand impact est cependant le financement de la recherche fondamentale et de la R&D collaborative entre les organismes de recherche, les universités et les entreprises. « Nous investissons dans l’éducation et le développement des talents, dans les infrastructures de recherche, dans les infrastructures d’informatique quantique et dans le développement de la chaîne d’approvisionnement », a déclaré Abroug.

L’éducation et le développement des talents sont des paris sur un avenir dans lequel l’industrie qui prend racine aujourd’hui aura besoin d’une main-d’œuvre qualifiée. L’investissement de la stratégie quantique dans les infrastructures et les projets de recherche vise à jeter les bases de cette industrie.

Jusqu’à présent, la stratégie a donné la priorité à trois infrastructures de recherche et à 11 projets de recherche. Les projets d’infrastructure ciblent les diamants de qualité quantique pour les applications de mesure quantique, une plateforme informatique basée sur les principes de la physique quantique et un banc d’essai national pour expérimenter des applications de communication quantique dans des conditions réelles de terrain.

Combiner supercalculateurs et ordinateurs quantiques

Selon Abroug, pendant au moins les deux premières décennies, les ordinateurs quantiques serviront d’accélérateurs spéciaux pour le calcul haute performance. Pour préparer cette ère, la Stratégie Quantique Française finance l’Initiative Quantique Hybride HPC. « L’idée est d’acquérir du matériel quantique, de le regrouper dans un centre de calcul intensif et de créer un environnement de programmation indépendant du matériel », a-t-il déclaré.

Le programme est doté d’un budget de 72,3 millions d’euros et sera géré par le CEA grâce au supercalculateur Joliot-Curie pour se connecter à la technologie quantique. « Cela permettra aux gens de comparer différentes architectures quantiques et de trouver des synergies entre l’informatique classique et quantique », a déclaré Abroug. « D’ici 2025, nous espérons disposer d’au moins trois ordinateurs quantiques différents pouvant être comparés. »

En 2025, ces ordinateurs seront probablement de nature expérimentale, ne résolvant que des problèmes triviaux mais permettant aux chercheurs d’en apprendre davantage sur la technologie fondamentale et sur son évolution. À terme, la France devra développer des ordinateurs quantiques plus performants que les ordinateurs classiques, c’est-à-dire démontrant un avantage quantique et pouvant être utilisés par l’industrie.

« Pour obtenir un réel avantage quantique, nous aurons besoin de systèmes tolérants aux pannes », a déclaré Olivier Ezratty, auteur du livre « Understanding Quantum Technologies ». «Ces systèmes nécessitent des qubits avec un minimum de bruit, et en grande quantité, pour mettre en œuvre la correction d’erreurs. Construire de telles machines est un défi scientifique, un défi technologique et, dans une certaine mesure, un défi économique, car leur fabrication peut coûter très cher.

L’écosystème français travaille déjà dans ce sens. Plusieurs startups développent des ordinateurs quantiques tolérants aux pannes et jettent les bases d’une production à l’échelle industrielle, chacune espérant être sélectionnée pour l’Initiative Quantique Hybride HPC. Ces sociétés comprennent Quobly, Pasqal, Alice & Bob, Quandela et C12. Ils ont tous le même objectif, mais ils diffèrent dans leur approche pour y parvenir :

• Quobly construit des ordinateurs quantiques basés sur des qubits de spin de silicium. L’idée est de transformer les transistors en qubits de qualité afin que les technologies de semi-conducteurs et les infrastructures de fabrication existantes puissent être utilisées pour passer rapidement à l’échelle industrielle.
• La plate-forme informatique quantique de Pasqal est basée sur des atomes neutres, qui sont contrôlés à l’aide de la lumière laser pour agir comme des « pinces optiques » manipulant les registres quantiques. Les interfaces laser offrent une connectivité et une évolutivité plus faciles, et la société estime que son approche offre la meilleure chance d’obtenir un avantage quantique à court terme.
• Alice & Bob fonde ses ordinateurs quantiques sur un nouveau type de qubit supraconducteur qu’elle a inventé : le qubit chat, à la fois cohérent et contrôlable et aussi insensible aux retournements de bits qu’un ordinateur classique. Un bit flip est un phénomène par lequel des bits quantiques basculent aléatoirement de 0 à 1 et vice versa. Vraisemblablement, un ordinateur quantique basé sur des qubits de chat est moins sujet aux erreurs.
• Les ordinateurs quantiques de Quandela, accessibles via un service cloud, sont construits à l’aide de qubits photoniques. La société estime que les ordinateurs quantiques photoniques sont intrinsèquement évolutifs car ils s’intègrent à la technologie photonique classique et que les composants peuvent être connectés avec des fibres optiques.
• C12 utilise des nanotubes de carbone comme technologie sous-jacente. La société espère réduire le bruit et les erreurs en produisant un matériau ultra-pur, qui sera suspendu au-dessus du substrat de la puce pour maximiser l’isolation et minimiser les erreurs induites par l’environnement. Les ordinateurs quantiques du C12 seront construits pour fonctionner comme des cartes d’accélération pour les supercalculateurs.

Une multitude d’approches concurrentes sont typiques des débuts d’une technologie de rupture, et l’informatique quantique ne fait pas exception. Mais tôt ou tard, l’industrie choisira ses favoris, et la France vise une place parmi les gagnants.

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