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La course à l’informatique quantique : entre mythe et réalité

 

Les sciences de l’informatique quantique promettent de révolutionner la sécurité des communications et les capacités de calcul informatique. Elles visent à tirer parti des lois de la mécanique quantique, qui gouvernent le monde de l’infiniment petit et qui diffèrent de celles du monde macroscopique que nous connaissons. Parmi ces propriétés quantiques qui vont à l’encontre de notre logique intuitive, on retrouve notamment :

  • La superposition quantique: une particule quantique peut être simultanément dans plusieurs états physiques contradictoires. Ainsi les « qbits » (pour « quantum-bit », la plus petite unité du système quantique), contrairement aux bits classiques qui sont des éléments binaires, peuvent à la fois être 0 et 1;
  • L’intrication quantique, qui permet de lier les états de particules quantiques. Pour une paire de particules intriquées, tout changement d’état de l’une des particules provoque le changement d’état de l’autre, quelle que soit la distance les séparant. Le corollaire de cette intrication est la téléportation quantique: puisque les états de deux particules intriquées sont interdépendants, il devient possible de téléporter de l’information.
  • La décohérence quantique, qui correspond à la fin de l’état de superposition quantique d’une particule et donc à la fixation de son état physique au sens classique. Ce phénomène de décohérence constitue le principal frein à l’ingénierie des dispositifs quantiques, celle-ci devant viser à éviter toute perturbation des particules.

Aujourd’hui, deux sous-domaines des sciences de l’information quantique intéressent particulièrement au niveau stratégique :

  • L’informatique quantique, qui comprend le développement de calculateurs et d’algorithmes quantiques, avec des applications dans les domaines de la cryptanalyse, des simulations complexes (météorologie, armement, médecine, etc.) et du big data notamment ;
  • La cryptographie quantique, qui vise à créer des réseaux de communications sécurisées.

Attirés par ces perspectives, de nombreux États sont progressivement entrés dans la course à l’informatique et aux communications quantiques.

L’informatique quantique : une nouvelle donne

L’engouement pour l’informatique quantique est véritablement né dans le milieu des années 90. Deux principaux algorithmes justifient la valeur stratégique du développement des calculateurs quantiques qui permettront de les exploiter.

En premier lieu, l’algorithme de Shor, proposé en 1994 par Peter Shor. Celui-ci propose une solution au phénomène dit « d’explosion combinatoire », c’est à dire le fait qu’un petit changement, même minime, du nombre de données à considérer dans un problème peut rendre sa solution très difficile, voire impossible, avec les ordinateurs actuels. En effet, avec un algorithme classique, la difficulté de résolution d’un problème combinatoire augmente de façon exponentielle avec chaque ajout de nouveau facteur. Un circuit de calcul quantique permet de réduire la vitesse d’augmentation de la difficulté du problème, celle-ci augmentant alors de façon polynomiale plutôt qu’exponentielle. L’application de l’algorithme de Shor par un calculateur quantique adapté, c’est-à-dire suffisamment dimensionné en termes de qbits, pourrait remplacer ou compléter les supercalculateurs traditionnels afin de :

  • D’améliorer le niveau d’automatisation de systèmes d’armement, en leur offrant une meilleure perception d’une situation avec l’augmentation de leur capacité à prendre en comptes des facteurs environnementaux supplémentaires ou d’en élargir la portée.
  • Réaliser des simulations d’une complexité inatteignable avec l’informatique traditionnelle du fait de l’explosion combinatoire. L’application de cet algorithme permettra de franchir un cap dans le domaine de la recherche et de l’industrie civile et militaire, en favorisant l’utilisation de la simulation plutôt que la multiplication de prototypes et en réduisant ainsi le time-to-market.
  • De briser la majeure partie des systèmes cryptographiques d’aujourd’hui, qui reposent sur une architecture asymétrique dont la résolution correspond à un problème de factorisation. Il deviendrait ainsi possible de calculer une clé privée à partir d’une clé publique, et ainsi de briser le secret des communications. Le risque et les niveaux d’investissement dans ce domaine sont considérés comme suffisamment sérieux pour que le développement d’algorithmes de chiffrement résistants à l’algorithme de Shor soit devenu une priorité et ait donné naissance à un nouveau domaine appelé « cryptographie post-quantique ». Dès 2016, la NSA signalait que les systèmes cryptographiques classiques ne devaient plus être considérés future-proof et appelait au développement de nouveaux standards de chiffrement post-quantique par le NIST (National Institute of Standards and Technology), qui a lancé son programme de standardisation quantique mais qui, dans l’attente de premiers drafts prévus pour 2022, appelle les organisations à la « crypto-agilité », c’est à dire elles doivent faire au mieux pour se préparer à migrer au plus tôt vers les futurs standards.

L’autre algorithme majeur est celui proposé par Lov Grover en 1996. Il constitue l’algorithme le plus efficace pour rechercher des informations au sein de bases de données non structurées, ce qui le rendrait particulièrement efficace dans le domaine du Big Data et de l’apprentissage automatique. L’algorithme de Grover pourrait également permettre de briser les chiffrements symétriques, mais la simple augmentation de la taille des clés de chiffrement symétriques pourrait être une réponse suffisante.

Le développement réussi de calculateurs quantiques capables d’appliquer ces algorithmes propulserait ainsi les capacités économiques, scientifiques et militaires des pays bénéficiaires, ce qui explique l’engouement actuel pour la recherche dans ce domaine.

La cryptographie quantique : la recherche d’une sécurité infaillible

La cryptographie quantique vise à établir un canal de communication sécurisé permettant de faire transiter des particules quantiques porteuses d’information. En raison de la difficulté du maintien de la cohérence quantique des particules, les applications actuelles ne visent pas à faire transiter de vastes quantités d’information, mais uniquement les clés de chiffrement qui permettront de sécuriser des communications qui emploieront des canaux de communication classiques. Ces derniers restent d’ailleurs nécessaires à l’échange de clés pour des raisons qui tiennent aux protocoles des échange de clés, Ainsi, tout canal de communication quantique est nécessairement doublé d’un canal classique, sécurisé, au moins pour le premier échange de clés quantiques, par un protocole de chiffrement classique.

C’est le phénomène de décohérence quantique qui assure la sécurité des échanges : lors de l’échange d’une clé de chiffrement sur un canal quantique, toute tentative de mesure prématurée, par exemple par une tentative malicieuse d’interception sur le trajet, par un tiers perturberait les particules quantiques échangées, qui ne pourraient donc plus être lues à l’arrivée par les destinataires/ interlocuteurs légitimes.

Deux principaux canaux d’échange de particules quantiques sont employés ou envisagés aujourd’hui :

  • Les fibres optiques, qui permettent l’échange de clés sur une distance de l’ordre de la centaine de kilomètres. Le phénomène d’atténuation des fibres optiques limite cette distance maximale, et l’emploi de relais, en qui il faut donc accorder confiance, est nécessaire pour prolonger les communications. Ces relais convertissent l’information quantique en information « classique » et re-génèrent une clé pour la portion suivante. Des systèmes de véritables répéteurs équipés de mémoire quantiques, encore à l’étape de recherche, devraient permettre à terme d’assurer une véritable liaison quantique sur de grandes distances sans passer par des relais ;
  • Les communications quantiques satellitaires, qui devraient permettre d’augmenter considérablement la distance maximale d’échanges pour atteindre plusieurs milliers de kilomètres.

L’informatique quantique, enjeu des rivalités industrielles et commerciales internationales

Les communications quantiques filaires sont une réalité commerciale depuis les années 2000. Des dispositifs commerciaux de distribution de clé quantiques, ou QKD (Quantum Key Distribution) sont d’ores et déjà déployés et utilisés, notamment par des institutions financières, des universités et des organisations gouvernementales. Ils utilisent des liaisons par fibre optique, parfois mises en place spécifiquement, mais il est également possible de reconvertir des réseaux fibrés préexistants, pour peu qu’ils soient dédiés à cette tâche. Ces liaisons permettent des communications point à point d’une portée d’une centaine de kilomètres, mais des systèmes de relais quantiques permettent de couvrir des distances plus vastes, à l’instar du lien déployé entre Beijing et Shanghai en 2016 (soit 2 000 km)[1].

Le satellitaire quantique : la Chine en tête

Si de nombreux pays possèdent des acteurs commerciaux sur ce créneau des liaisons quantiques terrestres, la Chine possède une avance considérable dans le domaine satellitaire quantique. La Chine, qui mène depuis 2003 des expériences dans le domaine de la téléportation quantique à l’Académie chinoise des sciences (ACS), a intégré en 2011 le programme QUESS (Quantum Experiments at Space Scale) à son 12ème plan quinquennal. Celui-ci, qui intègre une coopération avec l’Institute for Quantum Optics and Quantum Information de Vienne, vise à développer un système satellitaire permettant des communications chiffrées inviolables sur de grandes distances[2]. Un premier satellite a ainsi été lancé en 2016. En 2017, ce satellite qui vole à plus de 8 km/s a réalisé une première transmission d’une paire de photons intriqués entre les stations terrestre de Delingha (plateau tibétain) et l’observatoire Gaomeigu à Lijiang, soit plus de 1 200 km. La Chine prévoyait un réseau euroasiatique d’ici 2020 mais il semblerait que les tests soient encore en cours, à l’aide du premier satellite réalisé avec l’université de Vienne. Un réseau mondial est également prévu d’ici 2030.

Les calculateurs quantiques : les États-Unis en avance

Du côté des calculateurs quantiques en revanche, les États-Unis semblent avoir développé une nette avance à travers ses grandes entreprises du numérique. Le pays maintien des liens commerciaux forts avec l’entreprise canadienne D-Wave Systems, qui a été la première à réussir à développer un calculateur quantique commercial, bien que non généraliste et dédié à la résolution des problèmes d’optimisation. IBM et Google travaillent quant à eux sur le développement d’ordinateurs quantiques généralistes. Le premier met par exemple à disposition des chercheurs du monde entier un ordinateur quantique afin qu’ils puissent tester leurs algorithmes, à conditions qu’ils en offrent la propriété à l’entreprise américaine… Google, quant à elle, a récemment annoncé avoir atteint la suprématie quantique, en réalisant un calcul plus rapidement que ne le pourrait un ordinateur classique².

La course au quantique, une compétition mondiale

L’enregistrement des brevets montre bien cet état de fait d’une nette avance de la Chine dans le domaine des communications quantiques, en opposition à la nette avance américaine sur l’informatique quantique[3].

Brevets enregistrés depuis 2012, d’après une étude de la commission européenne menée par Martino Travagnin
Source : Nature

 

La Chine et les États-Unis ont donc au cours de la précédente décennie opté pour des investissements diamétralement opposés dans les technologies de l’information quantique. Alors que les États-Unis faisaient partie des pionniers des réseaux de communication quantique avec la DARPA, elle a laissé la Chine les rejoindre puis les dépasser nettement. La Chine sera selon toute vraisemblance le premier pays à posséder un réseau opérationnel de communication quantique satellitaire mondial, alors qu’il semble que les calculateurs quantiques sont encore à des décennies de porter véritablement leurs fruits. Elle entend cependant rattraper son retard dans ce domaine, avec un investissement inédit de 10 milliards de dollars dans la création du National Laboratory for Quantum Information Sciences qui concentrera ses recherches dans deux domaines : les calculateurs quantiques et la métrologie quantique[4][5]. De même aux États-Unis, au-delà des investissements massifs portés par les grandes entreprises du numérique, le gouvernement n’est pas en reste avec la récente signature du National Quantum Initiative Act, qui prévoit un investissement de 1,2 milliards de dollars sur 5 ans dans les technologies de l’information quantique.

De son côté, l’Union Européenne a officiellement lancé en 2018 l’initiative Quantum Flashship, dotée d’un budget d’un milliard d’euros sur 10 ans, dont 132 millions sur les trois premières années. Elle vise à développer la recherche et à démarrer une industrie dans les domaines d’application de la physique quantique (communications, informatique, simulation et métrologie). Ce projet s’ajoute aux initiatives individuelles des pays membres de l’UE, bien qu’il soit difficile de distinguer les financements intégrés à l’initiative européenne de celles qui relèvent de l’initiative privée. Les investissements dans le cadre du National Quantum Technologies Programme du Royaume-Unis ont quoiqu’il en soit dépassé en 2019 le milliard de livres[6], alors que dans le même temps l’Allemagne projette d’investir 650 millions d’euros sur deux ans dans les travaux de recherche menés par IBM[7] (plutôt que de l’européen Atos…), et que d’autres États membres dont la France investissent à des niveaux compris en 50 et 150 millions d’euros.

Parmi les autres principaux pays investissant massivement dans le secteur, on peut citer le Canada qui a investi plus d’un milliard de dollars au cours de la décennie et semblait être en position de leader avec les avancées de l’entreprise D-Wave, la Russie qui prévoit d’investir 790 millions sur les 5 prochaines années[8], ou encore l’Inde qui souhaite aujourd’hui rejoindre la course avec un investissement de 1.12 milliards de dollars sur 5 ans[9].

Vers un « hiver quantique » ?

On peut se demander si la frénésie actuelle autour de ces technologies ne risque pas de donner lieu à un « hiver quantique », similaire aux « hivers » de l’intelligence artificielle, dont la recherche a connu plusieurs épisodes de surinvestissements suivis d’assèchement des crédits durant de nombreuses années lorsque les résultats ne se sont pas montrés à la hauteur des promesses. La revue Nature note ainsi un signe inquiétant : une part significative des investissements soutient des initiatives de développement d’algorithmes quantiques, pour lesquels il n’existe pourtant encore aucun calculateur quantique permettant de les appliquer[10]. De même, la suprématie quantique qu’a revendiqué Google ne correspondait qu’à la résolution d’un problème sans réelle application autre que la démonstration de cette capacité, et les scientifiques considèrent que les calculateurs quantiques généralistes devront réunir un minimum d’un million de qbits pour avoir une réelle utilité, alors que les meilleurs calculateurs actuels en réunissent quelques dizaines au maximum, et que la difficulté de maintien de la cohérence quantique augmente exponentiellement avec le nombre de qbits.

Du côté des réseaux de communication quantiques, bien que des dispositifs commerciaux existent et la recherche du côté spatial semble être en bonne voie, il faut reconnaître leurs limitations : dans tous les cas, on doit doubler le canal quantique d’un canal classique ; au sol, la portée limitée du signal implique la multiplication de répéteurs de confiance ; dans l’espace enfin, les faibles orbites actuellement nécessaires à la réussite des transmissions impliquent des fenêtres d’échange très courts (quelques minutes à peine). D’autre part, la fragilité inhérente aux particules quantiques, si elles permettent d’apporter une assurance de sécurité, les rendent également potentiellement particulièrement vulnérables à des attaques en déni de service.

4.         CONCLUSION

Il est certain que les sciences de l’information quantique apporteront à ceux qui les maîtriseront des gains considérables dans tous les secteurs, de façon similaire aux gains apportés à l’informatique classique. Il reste à espérer que les efforts consentis en matière d’investissement le soient avec une vision à très long terme de sorte qu’ils ne disparaissent pas malgré la relative lenteur des progrès. Cela correspond à l’horizon temps d’un Etat, mais peut-être moins des Hedge funds qui ont commencé à se pencher sur le secteur. Ces derniers sont particulièrement intéressés par les applications potentielles pour leur cœur de métier, mais se retireront soudainement si la confiance en un développement rapide venait à se perdre ?

 

 

 

 

[1] https://spectrum.ieee.org/telecom/security/chinas-2000km-quantum-link-is-almost-complete

[2] Le principe est le suivant : un satellite produit des paires de photons intriqués, dont chacun est envoyé à une différente station au sol. Du fait de la corrélation quantique de ces particules, la mesure d’un photon par l’une de ces stations fixe l’état des deux photons. Il s’agit d’une téléportation quantique qui permet d’échanger de l’information sans que celle-ci ait eu besoin de transiter entre les deux stations.

[3] https://publications.jrc.ec.europa.eu/repository/bitstream/JRC115251/patent_analysis_of_selected_quantum_technologies_1.pdf

[4] https://www.popsci.com/chinas-launches-new-quantum-research-supercenter/

[5] La métrologie quantique vise à repousser les niveaux de précision de mesure (masse temps, courant électrique, etc.).

[6] https://www.gov.uk/government/news/1-billion-investment-makes-uk-a-frontrunner-in-quantum-technologies

[7] https://www.fraunhofer.de/en/press/research-news/2020/march/ibm-and-fraunhofer-bring-quantum-computin-to-germany.html

[8] https://www.nature.com/articles/d41586-019-03855-z

[9] https://www.nature.com/articles/d41586-020-00288-x

[10] https://singularityhub.com/2019/10/14/investment-in-quantum-computing-is-booming-but-will-a-quantum-winter-follow/