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4 mars 2025#LaREFNum25Et demain ? Un siècle après la conférence de Max Planck où en est la révolution quantique et comment va-t-elle évoluer ?  Les problèmes de fond posés par Bohr, Heisenberg, Einstein, Schrödinger ou Pauli restent d’actualité, mais on dispose pour les traiter de davantage de résultats et d’arguments. La physique quantique comprend en effet des phénomènes complexes et fascinants, qui n’ont parfois aucun équivalent dans notre monde. Elles vont continuer de bouleverser de très nombreux domaines : simulation, conception de nouveaux matériaux et médicaments, télécommunications, cryptographie, imagerie médicale, IA, capteurs extrêmement précis, systèmes de navigation inertielle, etc. Les technologies quantiques offrent pour la première fois un langage informatique capable de coder des systèmes complexes jusque-là impossibles à modéliser, et d’y associer de nouvelles logiques mathématiques. Elles marquent en cela un tournant décisif. Si l’IA permet également d’automatiser les prédictions, les deux technologies restent complémentaires. L’IA s’appuie sur des données déjà disponibles, alors que le calcul quantique explore plusieurs possibilités en même temps, ce qui permet d’anticiper des scénarios futurs encore inconnus. Construire une stratégie quantique en parallèle d’une stratégie d’IA devient donc essentiel pour rester compétitif. Nul ne sait avec précision aujourd’hui quelles applications verront demain le jour grâce au quantique, ce qui fait dire à David Deutsh, professeur à Oxford : « Celui qui sera capable de dompter l’étrangeté quantique aura un avantage considérable sur les autres ». Décrire l’évolution quantique, poser les bonnes questions pour faire avancer la réflexion, rendre compte des espoirs, mais aussi des doutes et des interrogations de la recherche, faire le point sur les perspectives françaises et déterminer comment toutes les entreprises vont pouvoir et devoir s’adapter à la révolution quantique, tels sont les objectifs de la douzième édition de la REFNum. [...]
4 mars 2025#LaREFNum25Où en est la France ? La France a considérablement renforcé ses investissements et ses initiatives dans le domaine des technologies quantiques ces dernières années, visant à se positionner parmi les leaders mondiaux. Dès janvier 2021, Emmanuel Macron annonçait le Plan Quantique, un investissement de 1,8 milliard d’euros sur cinq ans pour soutenir la recherche et l’innovation dans ce secteur. La répartition était la suivante : l’État et les organismes affiliés abondaient à hauteur de 1,05 milliard d’euros, l’Europe de 200 millions d’euros et enfin le secteur privé de 550 millions.  Le Plan quantique visait cinq objectifs stratégiques : développer les technologies et usages du calcul quantique ; maitriser les technologies de capteurs quantiques ; développer et diffuser la cryptographie post quantique ; développer les technologies de communications quantiques ; maitriser les technologies habilitantes du quantique. Avec ce plan la France entendait devenir le centre de gravité de l’industrie quantique mondiale en renforçant l’attractivité de la filière quantique (formation et enrichissement du secteur de 5000 nouveaux talents) et en accompagnant à l’export tous les produits et services de cette filière innovante. Si tous les objectifs initialement prévus n’ont toujours pas été atteints un bilan d’étape effectué en mars 2024 a permis de mettre en lumière des avancées significatives. Ainsi les startups quantiques ont levé plus de 350 millions d’euros, ce qui fait de la France le premier pays européen en termes de levées de fonds et le troisième au niveau mondial derrière les Etats-Unis et le Canada. Les startups et PME françaises de la filière quantique sont aujourd’hui en deuxième position à l’international en termes d’attractivité des talents. Elles représentent 20 % des parts de marché mondial, faisant de la France l’un des premiers fabricants et exportateurs dans le domaine. En lien avec le programme French Tech 2030, l’Etat veillera à consolider cette présence à l’international, par un accompagnement sur mesure de toutes les pépites françaises du quantique. Pour aller plus loin, dans le cadre de la stratégie France 2030, le gouvernement a alloué plus de 1,065 milliard d’euros supplémentaires, soutenant plus de 80 projets et visant à atteindre 2000 qubits utiles d’ici deux ans, avec un objectif de 100 à 200 qubits logiques d’ici la fin de la décennie. Il a également lancé le programme Proqcima, inspiré du programme ULTRA (lancé par les Britanniques pendant le Seconde guerre mondiale). L’objectif de ce programme est de disposer en 2032 d’au moins deux prototypes d’ordinateurs quantiques universels avec 128 qubits logiques étendus à 2048 qubits logiques en 2035. Le programme PROQCIMA est structuré sous la forme d’un partenariat d’innovation qui organise une compétition entre cinq entreprises (Alice & Bob, C12, Pasqal, Quandela et Quobly) avec une sélection progressive des compétiteurs les plus performants. Seuls les deux acteurs les plus performants poursuivront le programme jusqu’à son terme. La France est l’un des rares pays à l’échelle mondiale à disposer d’un socle de compétences en recherche amont et technologique, ainsi que de l’outil industriel adéquat permettant d’explorer sérieusement la faisabilité d’un ordinateur quantique FTQC (« Fault Tolerant Quantum Computer »). Malgré ces avancées, des défis subsistent et la France doit intensifier ses efforts pour combler l’écart avec des nations comme les États-Unis et la Chine, qui investissent massivement dans les technologies quantiques. Par exemple, en 2024, la France ne captait que 3 % des parts de marché et 1 % des levées de fonds dans le logiciel quantique, bien qu’elle occupe la deuxième place mondiale avec 28 % du marché des infrastructures quantiques. De plus, les difficultés sont nombreuses en matière de choix des technologies : supraconducteur, silicium, ions, photons… rien n’est encore arrêté. Dans ce contexte, l’écosystème tricolore de l’informatique quantique doit continuer à se structurer pour monter en puissance et rayonner à l’international. Car pendant ce temps, les États-Unis et la Chine mettent les bouchées doubles. Pour l’heure, les États-Unis font en effet la course en tête, avec une part de marché mondiale estimée à 27 %, à 679 milliards de dollars, devant l’Union européenne (14 % pour 346 milliards de dollars). Mais en jouant collectif, le Vieux Continent a sans aucun doute une belle carte à jouer. Comme le souligne Marina Ferrari, secrétaire d’Etat chargée du numérique : « L’avenir de l’autonomie stratégique de la France dans le numérique dépend, dès aujourd’hui, de notre capacité à faire émerger, ensemble, des champions technologiques européens, au rayonnement mondial dans le domaine du quantique et de l’IA ». La France, qui a su faire émerger 4 des 6 technologies quantiques les plus prometteuses doit notamment prendre garde à ne pas répéter les erreurs du passé en matière de nouvelles technologies. Il faudra ainsi savoir transformer l’innovation française en réussites commerciales et adapter l’offre quantique pour répondre aux futurs marchés. Pour l’Institut Montaigne, « construire une stratégie quantique en parallèle d’une stratégie d’IA devient essentiel pour rester compétitif dans un monde où les puissances investissent massivement dans ces technologies. Une économie qui manquerait ce virage risquerait de se retrouver marginalisée ». [...]
4 mars 2025#LaREFNum25Un peu d’histoire L’histoire de la physique quantique est jalonnée de découvertes révolutionnaires qui ont bouleversé notre compréhension du monde microscopique. Voici quelques grandes étapes de cette évolution à retenir : 1900 – Max Planck et les quanta d’énergie Planck introduit la notion de quantification de l’énergie pour expliquer le spectre du rayonnement du corps noir. Il postule que l’énergie est émise en paquets discrets (quanta) plutôt que de manière continue. 1905 – Albert Einstein et l’effet photoélectrique Einstein utilise l’idée des quanta de Planck pour expliquer l’effet photoélectrique, ce qui lui vaudra le prix Nobel en 1921. Il suggère que la lumière est constituée de particules appelées photons. 1925-1927 – Naissance de la mécanique quantique Erwin Schrödinger formule l’équation d’onde qui décrit l’évolution d’un système quantique. Werner Heisenberg développe la mécanique matricielle et énonce le principe d’incertitude, qui affirme qu’il est impossible de connaître simultanément la position et la vitesse d’une particule avec une précision infinie. 1927 – Interprétation de Copenhague Bohr et Heisenberg développent cette interprétation selon laquelle un système quantique existe dans une superposition d’états jusqu’à ce qu’une mesure soit effectuée. 1947 – Effet Lamb et développement de l’électrodynamique quantique (QED) Richard Feynman, Julian Schwinger et Sin-Itiro Tomonaga développent la QED, qui décrit l’interaction entre lumière et matière avec une précision extrême. 1981 – Expériences d’Alain Aspect Elles confirment l’intrication quantique, validant les prédictions de la mécanique quantique. 1980-2000 – Développement de l’informatique et de la cryptographie quantique Aujourd’hui – Vers les technologies quantiques Expérimentations sur la suprématie quantique (Google, IBM, etc.). Développement des capteurs et communications quantiques. Recherche sur les matériaux quantiques et les qubits robustes. L’histoire de la physique quantique est encore en train de s’écrire, avec des applications qui promettent de révolutionner les technologies et notre compréhension fondamentale de l’univers. [...]
4 mars 2025#LaREFNum25Des applications multiples Aujourd’hui, la théorie quantique, dont les succès ont été éclatants au cours du siècle dernier peut expliquer pratiquement tous les phénomènes physiques en décrivant de façon extrêmement précise les interactions entre électrons et photons, entre expérience et théorie. La physique quantique ne se contente pas de décrire avec précision la structure de la matière. Elle fournit également des moyens d’action, de calcul et de diagnostic d’une puissance et d’une précision auparavant inimaginables, ouvrant ainsi la porte à de très nombreuses applications dans divers domaines. C’est par exemple la technologie quantique qui a permis la miniaturisation de l’ordinateur. Autre exemple d’invention basée sur le quantique : le laser qui a permis de domestiquer la lumière et dont les usages vont du simple faisceau lumineux à la reproduction des sons, en passant par les lecteurs de codes-barres, la microchirurgie ou les télécommunications par fibre optique. Autre application encore : la mesure précise du temps via les oscillations de variables physiques associées aux électrons atomiques. Les horloges atomiques, synchronisées entre elles et embarquées sur des satellites, envoient des signaux aux appareils récepteurs du Global Positioning System (GPS). L’imagerie médicale par résonance magnétique (IRM) est un autre exemple de technologie basée sur la compréhension de processus quantiques. Les images IRM sont en fait produites par la convergence de trois technologies quantiques : un champ magnétique puissant produit par des bobines supraconductrices et des séquences de champs de radiofréquence qui mettent en résonance les moments magnétiques des noyaux de nos atomes et qui sont ensuite transformés en images par des ordinateurs surpuissants. Enfin, la logique quantique promet d’être très utile en cryptographie, la science de l’échange secret de l’information, si utile en géopolitique, notamment en période de conflit. Le fonctionnement de toutes ces techniques est longtemps resté incompréhensible pour les esprits classiques jusqu’à ce que Max Planck élabore au début du siècle dernier le principe de la quantification des échanges d’énergie entre matière et radiation, mettant en marche la révolution quantique. Mais, même aujourd’hui, après un siècle de succès, la physique quantique reste déroutante car elle repose sur des concepts contraires à l’intuition classique. Son principe fondamental est celui de la « superposition des états ». Dans le monde quantique, « Dieu joue au dés » remarquait déjà Albert Einstein. Ce principe de superposition conduit ensuite aux phénomènes d’interférence et d’intrication entre ondes et matière. Décrire la physique quantique avec des mots et des images issus de l’expérience classique présente des limites et des dangers, sauf à s’immerger dans la structure mathématique de la théorie, qui selon Serge Haroche est d’une grande simplicité (CQFD). Elle demande en tout cas de pouvoir fournir un effort d’abstraction important. Ce qui explique pourquoi la physique quantique reste si difficile à enseigner à un niveau élémentaire. “Si la mécanique quantique ne vous a pas profondément choqué, c’est que vous ne l’avez pas comprise” écrivait d’ailleurs le physicien danois Niels Bohr. [...]
4 mars 2025#LaREFNum25Qu’est-ce que la physique quantique ? Le quantique, un mot barbare pour tous ceux, nombreux, que les cours de math et de physique angoissaient. Le prix Nobel de physique, Serge Haroque commençait lui-même sa leçon inaugurale sur le quantique au Collège de France en citant Richard Feynman : « Personne ne comprend vraiment la physique quantique ». C’est dire ! Pourtant la physique quantique a révolutionné notre compréhension de la nature et enrichi de façon extraordinaire nos moyens d’action et d’information, et continue de le faire. A l’aube du XXe siècle, la naissance de la physique quantique a en effet révolutionné notre conception du monde : les physiciens ont alors réalisé que la physique classique, qui décrit parfaitement notre environnement quotidien à l’échelle macroscopique, devenait inopérante à l’échelle microscopique des atomes et des particules. La physique quantique est précisément la branche de la physique qui décrit le comportement des particules à l’échelle microscopique, comme les atomes et les photons. Contrairement à la physique classique, elle repose sur des principes contre-intuitifs comme la superposition, l’intrication et l’indéterminisme. De l’infiniment petit à l’infiniment grand, la théorie quantique permet de décrire les vibrations encore largement mystérieuses des cordes microscopiques qui pourraient être les constituants élémentaires de l’Univers, ou de rendre compte des fluctuations du rayonnement micro-onde qui nous parvient des confins du cosmos. Entre ces deux extrêmes, se trouvent tous les objets du monde qui nous entoure. La prochaine conférence des Nations unies pour les océans se tiendra à Nice en juin 2025. L’économie bleue, parce qu’elle représente un potentiel de croissance encore inexploité, suscite des convoitises, mais aussi des controverses. Comment exploiter de manière durable la puissance des océans pour répondre aux besoins de l’humanité tout en préservant l’équilibre écologique des écosystèmes marins ? Cinq principes fondamentaux gouvernent la physique quantique : la quantification de l’énergie, la dualité onde-particule, la superposition, l’intrication et le principe d’incertitude de Heisenberg qui dit qu’il est impossible de connaître en même temps avec précision la position et la vitesse d’une particule. Du chinois pour beaucoup d’entre nous et pourtant ! [...]