La physique quantique
Depuis le début du vingtième siècle, les physiciens ont commencé à dépasser la physique classique décrivant le monde à l’échelle humaine pour s’intéresser à une échelle beaucoup plus petite : celle des atomes. La mécanique quantique décrit le comportement des atomes et les échanges d’énergie entre la lumière et la matière.
La physique quantique n’est donc pas nouvelle : elle a déjà engendré un nombre important d’applications technologiques, comme l’énergie nucléaire, le microscope électronique, les circuits intégrés ou le laser. Pourtant les principes la régissant sont difficiles à appréhender car le monde microscopique se comporte bien différemment de l’environnement visible autour de nous. Ainsi, en mécanique quantique, un même objet peut se trouver dans plusieurs états distincts simultanément : on parle alors de superposition quantique.
La seconde révolution quantique est en cours
Les innovations actuelles basées sur les technologies quantiques s’appuient principalement sur les atomes froids et les diamants.
En 2017, une start-up bordelaise a mis au point le premier gravimètre quantique commercialisable au monde. Pour sonder le sous-sol, cet instrument mesure les caractéristiques de la chute d’un nuage d’atomes à très basse température (appelés atomes froids). Ainsi, le gravimètre quantique mesure si finement la force de gravité locale qu’il permet de détecter très précisément la présence d’une nappe phréatique ou d’une cheminée de lave.
Autre type de capteurs : les capteurs quantiques à base de diamant sont capables de mesurer des champs magnétiques de très faible intensité. Les applications à venir sont multiples, dans le domaine de l’imagerie médicale par résonance magnétique (IRM) notamment. Le groupe THALES est l’un des leaders mondiaux dans ce domaine.
Le premier gravimètre quantique transportable
Le quantique au service des communications
Dans un monde où les flux numériques montent en puissance et où la cybercriminalité augmente, l’enjeu est de sécuriser les communications. Grâce aux propriétés quantiques de la lumière, les technologies quantiques utilisent la propagation des photons dans des superpositions d’état afin de fournir des protocoles permettant de distribuer une clé de chiffrement inviolable entre deux interlocuteurs distants. On parle de cryptographie quantique.
Théorisée dans les années 80 et 90, la cryptographie est sortie des laboratoires pour la première fois en 2004 lors d’une importante transaction financière. De leur côté, les militaires américains utilisent un réseau de distribution quantique des clés depuis une quinzaine d’années. Ces technologies restent aujourd’hui réservées aux secteurs militaires et diplomatiques en raison de coûts techniques très élevés. Mais des applications commerciales plus larges devraient voir le jour, grâce aux progrès des détecteurs de photons et à l’augmentation des distances de transmission.
A terme, le chiffrement quantique pourrait permettre de gagner la course de vitesse engagée depuis des années contre le piratage informatique des données sensibles circulant sur internet.
En route vers l’ordinateur quantique ?
Basé sur les lois de la physique quantique et en particulier sur celle de la superposition des états quantiques, l’ordinateur quantique utilise des qubits1 en lieu et place des bits. Tandis qu’un bit classique se trouve soit dans l’état 0, soit dans l’état 1, un qubit peut être sont dans l’état 0, soit dans l’état 1, soit dans une superposition de 0 et 1. Cette superposition ne correspond pas à un troisième état mais à une infinité d’autres états ! Théoriquement, la puissance de calcul serait donc exponentielle, en tout cas au sens propre du nombre de qubits. Ce n’est pas si simple car en réalité, les techniques de calcul quantiques sont totalement différentes de celles habituellement connues mais elles pourraient permettre de réaliser certains calculs combinatoires très complexes en un éclair de temps.
Les freins techniques sont également encore très importants : la construction et le contrôle des composants à des températures extrêmes représentent un énorme défi. Certains ordinateurs quantiques ont toutefois déjà vu le jour, le plus célèbre étant celui d’IBM. Le Quantum System One. Deux prototypes ont été livrés en dehors des Etats-Unis : l’un au japon et l’autre en Allemagne. Mais ces ordinateurs ne réussissent à maintenir que quelques dizaines de qubits avec des procédés très énergivores, étant donnée la fragilité de l’état quantique.
L’informatique quantique n’en est donc encore qu’à ses débuts. Elle fait depuis une dizaine d’années l’objet d’une concurrence féroce entre les pays et entre les géants de l’IT comme IBM et Google.
Bien que l’ordinateur quantique universel s’inscrive encore une lointaine perspective, certaines technologies quantiques trouvent des applications amenées à se concrétiser dans un proche avenir. Ces technologies sont en effet très prometteuses, surtout dans les domaines des capteurs hyper-sensibles et des communications. La course mondiale est lancée !
1On nomme qubit (quantum + bit ; prononcer kiou-bit) l’état quantique qui représente l’unité de stockage d’information quantique.
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