La mécanique quantique s’est construite dans la première moitié du 20e siècle après les travaux pionniers de Max Planck et Albert Einstein proposant la notion de « quantum ». Cette théorie a révolutionné notre compréhension du monde physique, des particules élémentaires aux molécules et à la biologie. Elle est à la base de nombreux objets du quotidien comme les circuits électroniques ou le GPS. La seconde moitié du 20e siècle a vu des progrès considérables à la fois dans la compréhension des concepts et dans la manipulation des objets quantiques à l’échelle microscopique ou même individuelle. Nous sommes à un moment charnière où des technologies de rupture, basées sur ces concepts fondamentaux, débouchent sur de nouvelles applications inimaginables il y a vingt ans et impactant les capacités de calcul, les méthodes d’optimisation, ou la sécurité des transferts de données.
On peut identifier quatre grande familles d’applications qui structurent les technologies quantiques dans la plupart des actions internationales et font l’objet des quatre axes thématiques du DIM QuanTiP :
- Calcul et informatique quantique,
- Simulateurs quantiques,
- Communications quantiques,
- Capteurs quantiques et métrologie.
Calcul et informatique quantique
En remplaçant la logique classique 0/1 des processeurs actuels (les bits) par celle des qubits (les bits quantiques) fondés sur la superposition et l’intrication, on obtient en théorie une « machine quantique universelle » capable de réduire considérablement le temps d’exécution de certains algorithmes (problèmes d’optimisation, apprentissage automatique, méthodes de cryptographie).
Le double défi du calcul et de l’informatique quantique est d’une part de disposer d’un grand nombre de qubits « physiques » robustes à la décohérence, d’autre part de concevoir l’architecture et les protocoles pour les utiliser le plus efficacement possible. Les qubits peuvent être réalisés à partir de systèmes physiques très variés (ions, photons, atomes froids, supraconducteurs, semi-conducteurs)…
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Simulateurs quantiques
Certaines questions spécifiques sont inaccessibles même aux super calculateurs classiques mais ne nécessitent pas pour autant d’ordinateur quantique universel.
L’objectif des simulateurs quantiques est de répondre à ces questions, en modélisant le comportement de systèmes constitués de nombreux objets quantiques en interaction. L’idée est de simuler le problème étudié avec un autre système quantique, plus facile à manipuler, et d’explorer des configurations ou des jeux de paramètres inaccessibles au système initial. La vérification des simulateurs quantiques est essentielle et requiert des efforts pluridisciplinaires d’amélioration des modèles théoriques.
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Communications quantiques
Une des applications les plus matures des technologies quantiques concerne l’échange sécurisé d’information par le biais de communications quantiques, qui généralisent les méthodes de cryptographie quantique.
Le fondement de cette sécurité repose sur le codage d’information dans des variables quantiques, auxquelles un espion ne peut accéder sans les modifier. L’objectif est de construire des réseaux de communication quantique étendus et hybrides (associant plusieurs plateformes physiques de support de l’information quantique et plusieurs types d’encodage) et d’y permettre des échanges sécurisés résistants à des attaques par des super-ordinateurs, classiques ou quantiques.
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Capteurs quantiques
Quel que soit le système physique utilisé (atomes, molécules, spins, dispositif optomécanique de dimension micro ou nanométrique), les capteurs quantiques fonctionnent en exploitant les propriétés quantiques de la matière et de la lumière pour obtenir une très grande sensibilité aux champs de force extérieurs.
Ils permettent de mesurer un large éventail de grandeurs physiques, ouvrant des applications dans de nombreux domaines à fort impact sociétal, comme la surveillance du climat et des ressources naturelles, la santé, le positionnement, la navigation et la datation, ou la prévention des catastrophes naturelles. Si ces capteurs sont souvent limités par des sources de bruit classiques, les protocoles de mesure exploitant les corrélations quantiques offrent la possibilité de repousser leur sensibilité en dessous de la limite quantique standard.