On voit régulièrement dans l'actualité scientifique, depuis quelques années, des annonces concernant les succès obtenus par des équipes de géants, tels IBM, Microsoft et Google, avec les recherches au sujet d'ordinateurs visiblement exotiques puisque appelés « des ordinateurs quantiques ».

Ces entreprises ne sont pas les seules engagées dans une course mondiale pour la mise au point de ces machines, dont on espère de nouveaux bonds technologiques dans des domaines allant de la médecine à l'apprentissage automatique (en anglais : machine learning, ML) en passant par la finance et le domaine de la recherche opérationnelle avec l'ubiquiste problème du voyageur de commerce.

Il existe ainsi plusieurs startups françaises, notamment dans la région parisienne, qui y participent avec des chercheurs et ingénieurs issus des grandes écoles et universités françaises. À cet égard, nous avons la chance d'avoir un écosystème avec plusieurs prix Nobel dans le domaine de la physique quantique, dont le plus célèbre est incontestablement Alain Aspect, mais dont le dernier en 2025 est Michel Devoret.

Quandela et ses ordinateurs photoniques

L'une de ces startups est récemment apparue sur le devant de la scène en rapport avec le CEA. Elle s'appelle Quandela (un jeu de mot avec candela, qui signifie « chandelle » en latin, mais qui désigne aussi l'unité de mesure de l'intensité lumineuse d'une source de lumière) a été fondée en 2017 et est basée à Massy (dans l'Essonne).

Elle est issue de recherches réalisées au Centre de nanosciences et de nanotechnologies (C2N) et a comme co-fondateurs la physicienne Pascale Senellart, ancienne élève de l'école Polytechnique qui a eu comme professeur de physique quantique le légendaire et regretté Jean-Louis Basdevant et qui est la directrice scientifique de Quandela. Les deux autres fondateurs sont le directeur des Opérations de Quandela, Valérian Giesz, qui a passé sa thèse sous la direction de Pascale Senellart au Laboratoire de photonique et nanostructures (LPN) - CNRS, et Niccolo Somaschi, le P.-D.G. qui, lui, était en postdoc dans le groupe de Pascale Senellart.

Si les ordinateurs classiques utilisent des électrons, les ordinateurs quantiques déjà réalisés par Quandela sont eux photoniques, c'est-à-dire qu'ils utilisent des grains de lumière, les fameux quanta d'énergie de rayonnement d'Einstein, ensuite baptisés des photons par le chimiste et physicien états-unien Gilbert Lewis (1875-1946).

Il existe plusieurs façons de construire des ordinateurs quantiques (avec des circuits supraconducteurs, à ions piégés, ou encore avec des atomes neutres, froids notamment) et personne ne sait encore laquelle sera à la mesure des espoirs des chercheurs et des ingénieurs.

La voie choisie par Quandela lui a déjà fourni des clients qui veulent commencer à explorer le potentiel des ordinateurs quantiques photoniques. Cette année, Quandala a même livré Lucy, le plus puissant ordinateur quantique photonique en Europe, au Très Grand Centre de calcul (TGCC) du CEA (Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives). Le TGCC héberge et administre le supercalculateur Joliot-Curie destiné au calcul parallèle et qui permet de conduire des simulations numériques dans des domaines aussi divers que la géophysique, l'astrophysique et la physique des plasmas ou encore le climat et la biologie.

Lucy, avec ses 12 bits d'informations quantiques (on y reviendra), va permettre d'explorer le calcul hybride quantique-classique qui, à terme, consistera à combiner l'exécution d'algorithmes classiques, quand ils restent plus performants sur des calculateurs classiques que des ordinateurs quantiques, avec des algorithmes quantiques quand ce sont eux qui le sont pour résoudre des problèmes.

D'ici 2026, des entreprises comme Thales, TotalEnergies ou d'autres acteurs européens pourront tester en ligne des calculs quantiques avec Lucy. Il existe déjà un cloud donnant un certain accès aux précédentes machines de Quandela, ce dont profitent parfois simultanément des milliers d'utilisateurs en ligne déjà.

Avant d'aller plus loin et de donner des explications plus détaillées sur ce que nous n'avons fait jusqu'à présent qu'esquisser (notamment avec la vidéo ci-dessus avec Pascale Senellart), il est sans doute bon de voir déjà d'un peu plus près ce dont il est question quand on envisage des applications d'ordinateurs quantiques.

On va prendre les exemples des recherches sur des matériaux et des molécules pour l'ingénierie et la médecine. Gardons à l'esprit toutefois que ces machines peuvent avoir des applications fortes en ce qui concerne des problèmes d'optimisation dans les domaines de la finance et de la gestion du trafic.

Des ordinateurs quantiques, pour quoi faire ?

Des aimants faits de matériaux supraconducteurs à température et pression ambiantes rendraient plus faciles (et sans doute moins coûteuses) la fabrication et l'utilisation des machines permettant de faire des IRM. On pourrait donc en disposer en plus grand nombre pour la médecine. En fait, on sait déjà faire des machines pour l'IRM particulièrement puissantes avec des aimants supraconducteurs (mais pas dans les conditions ambiantes), car ce genre d'aimants permet de faire des champs magnétiques plus intenses. On peut citer le cas de Iseult.

Ces mêmes aimants impacteraient par exemple aussi le développement des avions à hydrogène du futur. On sait qu'Airbus travaille déjà sur ce genre de projet, mais avec des aimants supraconducteurs là aussi classiques et refroidis à quelques kelvins avec de l'hélium liquide, dont les réserves ne sont pas inépuisables, loin de là !

Toutefois, malgré de nombreuses recherches expérimentales basées sur des théories, des matériaux capables de devenir supraconducteurs à température et pression ambiantes n'ont toujours pas été trouvés. Dans l'idéal, il faudrait aussi qu'ils soient faciles et peu coûteux à produire, ce qui permettrait de transporter sans perte sur des milliers de kilomètres du courant électrique.

Il est probable que d'ici quelques décennies, Iter va nous montrer qu'il est effectivement possible de produire de façon stable et avec un excellent rendement énergétique des réactions de fusion thermonucléaire contrôlées. Cependant, la réaction prévue - la plus avantageuse et de loin - suppose qu'il existe des matériaux en mesure de résister longtemps au puissant flux de neutrons issu de la réaction. On cherche ces matériaux, mais il y a quelques décennies, Pierre-Gilles de Gennes n'était pas optimiste quant à leur existence.

Nous ne disposons toujours pas de traitement contre les maladies d'Alzheimer et de Parkinson. Il faudrait pour cela sans doute au moins mieux comprendre et modéliser ce que l'on appelle le repliement des protéines en 3D et d'autres propriétés relevant de la chimie quantique des molécules pour espérer découvrir celles qui pourraient avoir un impact très significatif sur ces maladies.

Dans tous les exemples cités - et il y en a bien d'autres en médecine et ingénierie (par exemple pour capturer le CO₂ atmosphérique et lutter contre le réchauffement climatique) - il faudrait pour résoudre les problèmes des ordinateurs bien plus puissants et rapides que les superordinateurs dont on dispose aujourd'hui.

On arrive toutefois déjà avec eux (parfois en utilisant l'IA) à prédire et découvrir par le calcul les propriétés de nouveaux matériaux ou molécules à partir des lois de la physique (quantiques ou classiques) appliquées aux atomes. La limitation principale des simulations numériques, souvent dites de la méthode de la dynamique moléculaire, vient du fait que plus on doit faire intervenir d'atomes et de propriétés réalistes de ces atomes dans des liaisons, plus la puissance de calcul nécessaire est importante.

De la première à la seconde révolution quantique

C'est particulièrement vrai si l'on doit prendre en compte la nature quantique de la matière, or c'est bien souvent le cas. Par exemple, il n'est pas possible de vraiment comprendre les propriétés magnétiques et électriques des solides sans la physique quantique. Cette dernière a été une révolution théorique pendant la première moitié du XX^e siècle et une révolution technologique pendant la seconde moitié.

Des ordinateurs quantiques auraient donc le pouvoir de simuler très rapidement des systèmes quantiques en cherchant quelles compositions atomiques donneraient les propriétés recherchées pour ces systèmes matériels.

Or, une seconde révolution quantique technologique est peut-être en cours, directement sous nos yeux, et surtout avec l'essor des recherches sur les ordinateurs et simulateurs quantiques, recherches qui étaient généralement vues avec beaucoup de scepticisme il y a encore à peine deux décennies. Mais nous avons plus que jamais des raisons de penser depuis quelques années que ces machines quantiques auraient la puissance et la rapidité de calcul nécessaires, au moins pour effectuer certains calculs intraitables ou difficilement avec des machines classiques.

L'idée centrale est d'utiliser directement des principes fondamentaux des lois de la mécanique quantique qui ont été découvertes il y a presque un siècle pour effectuer des sortes de calculs en parallèle très rapidement. L'un des principaux pionniers qui a exploré et proposé cette idée dans un article en 1981, et plus tard dans ses leçons sur l’informatique, était le génial prix Nobel de physique Richard Feynman. Dans un article sur arXiv, John Preskill, un autre pionnier de l'informatique quantique, raconte ce qui s'est ensuite passé à ce sujet au cours des 40 années qui ont suivi.

Les physiciens, ingénieurs et mathématiciens ont transposé une partie du contenu de l'informatique classique concernant le hardware et le software aux machines quantiques. Ils ont ainsi introduit le concept de qubit quantique pour désigner l’équivalent quantique des bits d’informations classiques sous forme de 0 et 1 et ils ont transposé les concepts de portes logiques et de machine de Turing universels (qui sont au cœur et derrière les ordinateurs classiques) à des circuits quantiques portant et manipulant des qubits pour implémenter des algorithmes proprement quantiques.

Toutefois, très rapidement au milieu des années 1990, certains physiciens comme le prix Nobel de physique français Serge Haroche et son collègue Jean-Michel Raymond, avaient fait remarquer que les calculs quantiques étaient très fragiles, très sensibles aux perturbations d'un environnement, et qu'en augmentant le nombre de qubits dans une machine quantique, ces calculs devenaient rapidement très bruités et donc impossibles à effectuer. C'est en relation avec ce que l'on appelle le problème de la décohérence.

Voyons voir de quoi il s'agit.

John Preskill a introduit l'idée de la suprématie quantique pour décrire le fait qu'un ordinateur quantique universel programmable, ou un calculateur quantique spécialisé dans l'exécution d'une tâche bien particulière, devient capable de faire un calcul impraticable dans une durée raisonnable pour un être humain avec un machine classique.

Pour atteindre pleinement la suprématie quantique, il faut disposer d'un assez grand nombre de qubits. On peut se les représenter comme les éléments d'un château de cartes. Plus il prend de la hauteur, plus il est instable. Quand il atteint quelques étages, un minuscule courant d'air ou une petite vibration de la table suffit pour que tout le château s'écroule. De façon générale donc, plus le château est grand, plus il a de risques de s'effondrer vite, à moins de le placer dans une chambre sous vide ou sur une table l'isolant des vibrations du sol par exemple.

Le problème est similaire avec des qubits. Parmi les voies de recherche sur les ordinateurs quantiques (ce qui n'est pas le cas de celle de Quandela), il faut refroidir presque au zéro absolu les systèmes quantiques constitués de quelques dizaines à quelques millions atomes seulement qui portent ces qubits pour les isoler suffisamment longtemps du bruit de fond ambiant, souvent thermique, généré par le reste de l'Univers. Même ainsi, avant l'effondrement des états de superposition et d'intrication quantique, on dispose d'un temps trop court pour pouvoir effectuer autre chose que quelques timides calculs quantiques.

Il faut donc trouver un moyen de protéger autant que possible les calculs quantiques de ces perturbations - ce que beaucoup d'experts pensaient utopique. 

Mais le mathématicien états-unien Peter Shor et ses collègues ont proposé une parade au milieu des années 1990, utiliser des codes correcteurs quantiques, cousins des codes correcteurs d'erreurs des ordinateurs classiques bien connus dans le cadre de la théorie de l'information classique, pour lutter contre les erreurs de calcul produites par la décohérence. Ces codes quantiques utilisent un groupe de qubits supplémentaires pour chaque qubit utilisé pour faire un calcul quantique. Plus le nombre de ces qubits supplémentaires augmente, plus le taux d'erreur dans les calculs doit diminuer.

Il se trouve que les ordinateurs photoniques sont nettement moins sensibles au phénomène de la décohérence que les autres ordinateurs quantiques envisagés. Ils permettent aussi de mettre en œuvre la stratégie des codes correcteurs d'erreurs.

Ils satisfont aussi à une autre exigence des ordinateurs d'une seconde révolution quantique, on doit pouvoir facilement fabriquer des versions bien plus grandes et avec bien plus de qubits des petits ordinateurs quantiques déjà réalisés. Le changement d'échelle ne doit en rien faire diminuer les performances des machines ni les rendre plus difficiles à fabriquer.

Nous allons voir de plus près de quoi il s'agit avec ces ordinateurs photoniques de Quandela dans un second article faisant suite à celui-ci.