La physique quantique permet d’expliquer le fonctionnement de la nature dans des proportions extrêmement fines… Et promet de transformer la manière dont nous traitons et communiquons l’information »
Sébastien Tanzilli
Qubits, intrication, cryptographie quantique… Qu’est-ce que la physique quantique et à quoi sert-elle ?
Sébastien Tanzilli : Pour faire un détour par l’histoire, la physique quantique est une science née il y a plus d’une centaine d’années. Cela a été une des théories phares d’une époque durant laquelle les physiciens pensaient avoir tout découvert. Il restait des lacunes d’où sont nées la théorie de la relativité restreinte puis générale et la théorie de la physique quantique. C’est une physique qui n’a jamais été contredite jusqu’à présent et qui permet essentiellement d’expliquer comment fonctionnent les interactions entre les ondes électromagnétiques, y compris la lumière, et la matière au niveau atomique, moléculaire, etc. La physique quantique permet ainsi d’expliquer comment fonctionne la nature dans des proportions extrêmement fines, diverses et variées. Elle trouve aujourd’hui de nombreuses répercussions dans des domaines variés, notamment les technologies de l’information.
La première révolution quantique, durant les années 50-60 est celle des applications classiques. Prenons l’exemple d’un laser. Celui-ci est, dans son fonctionnement le plus profond, régi par les lois de la physique quantique. Une fois le laser « en route », la manière dont les photons sont agencés peut plus ou moins s’expliquer par la physique « classique ». En revanche, lorsqu’on appuie sur le bouton « on » du laser, le démarrage ne peut s’expliquer que par la physique quantique, qui décrit comment s’installe progressivement l’émission de la lumière dans une même direction et avec la même fréquence. De même pour les transistors de nos ordinateurs qui produisent des 0 et des 1 qui, lorsque mis en cascade, forment des chaînes de bits que l’ordinateur va processer.
Depuis la toute fin des années 70, on s’est rendu compte qu’on pouvait manipuler collectivement, mais aussi individuellement, des systèmes quantiques tels que les photons, les atomes, les ions, les électrons et éventuellement les molécules, si on en a la capacité expérimentale. Cela a ouvert la porte à la génération, à la manipulation et, plus récemment, à l’exploitation d’états quantiques particuliers, tels que la superposition cohérente d’états et l’intrication. Par superposition cohérente, on entend qu’un électron ou un photon peut être préparé comme étant à deux ou plusieurs endroits en même temps. Aussi, les « états intriqués » associent deux ou plusieurs systèmes quantiques pouvant être préparés dans des superpositions où ils sont tous dans un certain état, en même temps qu’ils sont dans un autre état.
Depuis les années 80, les physiciens et les informaticiens ont ainsi pu imaginer des scénarios dans lesquels on répond à des questions de traitement de l’information. D’où la naissance dans les années 90 de l’informatique quantique et du qubit, la plus petite unité d’information quantique (équivalent du bit classique que nous manipulons par millions au quotidien sans même le savoir).
Essentiellement, il s’agit d’un domaine qui permet de faire des choses qu’on ne peut pas faire avec des systèmes classiques ou de mieux les faire. Il y a quatre grands piliers des technologies quantiques reconnus par l’Europe et la France que sont le calcul, la simulation, la communication et les capteurs quantiques. Par exemple, le calcul quantique est une manière de mettre en œuvre du calcul massif en parallèle, en se fondant essentiellement sur l’intrication, ce qui permet donc de diminuer les temps de calcul sur des problèmes mathématiques complexes.
D’un point de vue intellectuel, un atome capable d’être à la fois dans un état et un autre paraît assez contre-intuitif. Pouvez-vous nous expliquer la fameuse théorie du chat de Schrödinger ?
S. T : Il s’agit d’une expérience de pensée imaginée en 1935 par le physicien Erwin Schrödinger. Théoriquement, on place un chat dans une boîte avec une gamelle contenant de la nourriture. La boîte contient un atome radioactif qui peut, s’il se désexcite, actionner un système de levier qui va activer un petit marteau qui va venir briser une fiole contenant du poison, lequel s’écoulera dans le dans la gamelle du chat.
L’atome a une certaine probabilité de se désexciter et donc d’activer tout le système qui va mener au fait que le poison a été déversé dans la gamelle du chat. Donc, tant que l’on n’a pas ouvert la boîte, selon l’état de l’atome, on ne sait pas si le chat est mort ou vivant. Il se trouve dans une superposition cohérente d’être à la fois mort et vivant. On ne révèle le fait que l’atome était dans l’état 1 ou 2 uniquement lorsqu’on le mesure. Il en est de même pour le chat : on mesurera s’il est vivant ou mort, quand on enlèvera le couvercle de la boîte.
Dans le domaine de la communication, quels sont les apports des technologies quantiques ?
S. T : La communication quantique permet de communiquer de manière ultra sécurisée via ce qu’on appelle la cryptographie quantique. Il est possible d’établir à distance, entre deux ou plusieurs partenaires authentifiés, des clés de cryptographie réputées inviolables et qui vont servir à communiquer de manière pérenne et cachée de parties adverses.
Les cas d’usages primaires sont évidemment les transactions bancaires, les communications ultra sécurisées entre diverses divisions de l’armée lors d’un conflit, ou divers membres d’un gouvernement ou dirigeants d’états qui voudraient échanger des informations confidentielles ou d’importance stratégique, ou encore la sécurisation des données de santé des individus.
Cela pose des questions juridiques, diplomatiques, éthiques… Les questions principales que l’on doit se poser au sujet du chiffrement de données, qu’on appelle la cryptographie, sont notamment les suivantes : « De quel niveau de sécurité ai-je besoin pour ces données et pour combien de temps ? ». En effet, des décisions géopolitiques prises aujourd’hui et sécurisées pendant dix, quinze, vingt ans pourraient créer de nouveaux problèmes, voire de nouveaux conflits une fois mises au jour.
Cette question de la temporalité passe par des bornes inscrites dans les jeux de données. Ou bien même dans la législation. En Allemagne, par exemple, il a été décidé que les données de santé des citoyennes et citoyens allemands doivent être protégées pendant au moins la durée de vie d’un individu. Soit en moyenne quatre-vingt ans.
Enfin, la cryptographie quantique est intéressante parce que grâce à elle, la garantie, dans le temps, de la protection des données ne dépend plus de la puissance des ordinateurs susceptibles de briser les clés de chiffrement, mais uniquement de la manière dont celles-ci sont établies. En effet, l’établissement de clés, même à distance, repose sur la combinaison d’un set de préparation d’états quantiques et d’un set de mesure. Lorsque le protocole est correctement mis en œuvre, les des clés aléatoires, mais parfaitement identiques, se forment entre les partenaires, et c’est bien ce « hasard corrélé » qui garantit la sécurité des clés face au progrès technologiques et la révélation d’espions potentiels. En d’autres termes, cela signifie que d’ici 80 ans, même des ordinateurs à la puissance de calcul éminemment plus importante qu’aujourd’hui ne pourront mettre à mal les données chiffrées.
Qu’est-ce que la cryptographie post-quantique ?
S. T : Il existe trois grandes familles de cryptographie. La cryptographie classique, ou à clé publique, qui est sujette à l’augmentation de la puissance des ordinateurs susceptibles de craquer les clés utiles à la protection des données. L’ordinateur quantique suffisamment puissant, lorsqu’on en aura un à notre disposition, devrait permettre de réduire les temps de calcul de manière importante, et pourrait mettre à mal tout ce qui relève des données protégées par cryptographie classique et qui transitent sur Internet.
La cryptographie quantique dont nous avons parlé ci-dessus, elle, n’est pas dépendante de la puissance de calcul de quelque ordinateur que ce soit, ni classique, ni quantique.
Enfin, il y a la cryptographie post-quantique qui met en œuvre des algorithmes qui ne sont pas sujets à être crackés par des ordinateurs quantiques. A l’avenir, les cryptographies quantiques et post-quantiques pourraient fonctionner ensemble par le biais de protocoles hybrides afin de répondre à l’ensemble des cas d’usage relevant d’applications civiles et militaires.
Y a-t-il d’autres applications ?
S. T : Oui, les capteurs quantiques sont d’excellents candidats. Les dispositifs à base d’atomes froids trouvent des applications dans les géosciences (prévention des risques environnementaux) et le géo-positionnement (capteurs inertiels), notamment. En mesurant la variation de la gravité à tel ou tel autre endroit sur Terre, il devient par exemple possible de prévenir des éruptions volcaniques qui font varier celle-ci. De manière générale, les capteurs quantiques sont une manière de mettre en exergue la superposition ou l’intrication d’états pour mesurer des paramètres physiques avec une grande précision. Le quantique permet ainsi d’apporter, selon le cas, des réponses plus rapides, plus précises et parfois plus fiables.
Justement, quel est le coût environnemental d’un calculateur quantique ?
S. T : A priori, avantageux. Plusieurs études tendent à montrer qu’un ordinateur quantique serait beaucoup moins énergivore qu’un supercalculateur classique. Une initiative, la Quantum Energetic Initiative, a été lancée par une chercheuse du CNRS, Alexia Auffèves (Directrice de l’IRL Majulab à Singapour). L’idée est de rassembler les diverses communautés des sciences fondamentales en quantique pour calculer l’empreinte énergétique d’un ordinateur quantique universel et de comprendre dans quelle proportion on constate un gain en termes de consommation. Il semblerait que les indicateurs vont plutôt dans le bon sens. Sur ces questions de numérique et de frugalité, nous avons bien sûr aussi des liens avec le PEPR Electronique, le PEPR Spintronique et le PEPR Cybersécurité, et de manière un peu plus lointaine avec le PEPR Réseaux du futur.
Pour revenir sur le programme que vous pilotez, quelle a été votre stratégie pour construire celui-ci après réception de la lettre de mission de l’État ?
S. T : Depuis l’avènement du flagship européen sur les technologies quantiques qui a été annoncé en 2016 – 2017 et qui a démarré en 2018, l’État français a saisi l’opportunité de forger une stratégie nationale. Une mission parlementaire a été menée visant à en évaluer l’intérêt. Un travail en amont a été orchestré via une ‘task force’ gouvernementale qui a associé les organismes de recherche, les universités, les industries, des décideurs, le ministère de la Recherche et de l’enseignement supérieur, le ministère des Armées, le ministère de la Défense, et le ministère de l’Économie et des Finances. Une feuille de route nationale pour une stratégie Quantique a finalement été annoncée par le Président Macron en janvier 2021. Une dizaine de programmes ont été dévoilés, dont le PEPR Quantique.
Notre document de cadrage de programme élaborait les grandes lignes par thématiques de nos projets ciblés et les appels à projets que l’on voulait diligenter pour arriver à un panel qui représente l’ensemble des plateformes de technologie ainsi que l’ensemble des concepts en rupture relatifs aux thématiques d’intérêt : le calcul, les algorithmes, la communication et les capteurs.
La communauté scientifique française des sciences et technologies quantiques est reconnue comme excellente à l’international, comme en atteste son positionnement et ses performances dans les grands programmes européens. Présentes sur l’ensemble des piliers technologiques, les équipes françaises officient depuis la recherche fondamentale jusqu’à l’innovation. Depuis le début des années 2010, cette vaste communauté a bénéficié d’un « lieu d’échange » par le biais d’un réseau thématique du CNRS, intitulé « Information quantique, fondements et applications », que j’avais alors fondé. Celui-ci avait permis de rassembler les diverses communautés afin de créer de nouvelles opportunités, et avait par ailleurs servi de « référence de cartographie thématique française » au flagship européen. Sous l’impulsion d’une jeune chercheuse CNRS, Anaïs Dréau, ce réseau a récemment été avantageusement remodelé, modernisé thématiquement et renommé « Technologies quantiques ».
Justement, sur le plan international où il est question de souveraineté, de compétitivité, comment la France se situe ?
S. T : La France est un pays de grande tradition en science et technologies quantiques et fait même partie des nations pionnières. De nombreuses technologies développées aujourd’hui y sont nées. Alors qu’il y a une quinzaine d’années le quantique était essentiellement étudié en recherche académique, parfois adjoint de quelques start-ups, le paysage actuel a complètement changé. De grandes compagnies privées des technologies de l’information comme Google, IBM, Microsoft et d’autres, sont en effet entrées dans la course avec des investissements massifs, qui surpassent de loin ce que la France, l’Allemagne ou même l’Europe peuvent investir. De plus, il y a eu l’avènement au cours des dix dernières années d’une myriade de start-ups, en particulier en France : Pasqual, Quandela, Welinq, C12, Alice & Bob, etc.
D’un autre côté, ces dernières années la volonté de regrouper divers acteurs sur des sites universitaires s’est imposée. Il y a aujourd’hui en France sept fédérations ou centre de recherche sur le quantique, comme par exemples le Paris Center for Quantum Technologies, qui regroupe toutes les universités du centre de Paris, ou encore le centre Quantum Saclay à Paris Saclay. Ces fédérations font office de véritables écosystèmes hybrides au sein desquels les chercheurs, chercheuses et industriels locaux du domaine, y partagent leurs avancées, leurs prérogatives et autres questionnements.
Sur la base de ce nouveau paysage, si on s’intéresse aux indicateurs et à ce qui est développé dans le cadre du PEPR, j’aurais tendance à dire que la France se porte très bien à l’échelle mondiale. Mais combien de temps cela pourra-t-il durer face à des pays qui investissent massivement dans le domaine comme la Chine ou les Etats-Unis ? Pays dont on sait par ailleurs encore peu de choses sur la finalité des investissements.
Quels sont d’ailleurs vos liens avec les entreprises privées, les start-ups ?
S. T : D’une façon générale, le domaine quantique vit une sorte de double passion : on développe les applications et les cas d’usages en même temps que l’on tente de résoudre des questions de recherche fondamentale. Les briques technologiques de base ne sont pas encore complètement consolidées, c’est pour cela que c’est extrêmement dynamique et passionnant !
Plus spécifiquement, au sein du PEPR, qui vise des niveaux de maturité technologique plutôt bas, les start-ups françaises du domaine sont toutes impliquées. Dans chacun des 22 projets participe au moins une start-up, pour réaliser à la fois du développement conjoint, de la logique technologique et, la plupart du temps, financer des bourses de thèse CIFRE. Ces participations et ces coopérations tirent ainsi les développements des projets du PEPR vers de véritables prérogatives de R&D.
Une autre composante de ces coopérations réside dans les liens que nourrissent les start-ups avec leur équipes académiques d’origine. En effet, lorsqu’une une impasse se présente, c’est souvent qu’il faut adresser une question de recherche fondamentale. A ce moment-là, c’est l’équipe académique qui va prendre le relais. A l’inverse, lorsqu’une équipe académique cherche à faire aboutir un sujet applicatif, la start-up, avec ses connaissances systèmes et d’ingénierie, peut aider à débloquer des situations.
Auriez-vous un exemple concret de développement d’une innovation fondée sur les sciences quantiques au sein du programme ?
S. T : Dans les axes du programme, les projets sont dégroupés en deux grandes familles d’innovation : une partie « matérielle » (ou hardware) et une partie « logicielle » (software). En d’autres termes, certains projets concernent les « plateformes de technologie », d’autres le type d’algorithmes quantiques mis en œuvre dans les machines de calcul quantique. Il y a donc souvent une association start-up / équipe académique visant à faire avancer, entre autres, les développements technologiques : les semiconducteurs, les supraconducteurs, ou encore les systèmes photoniques ou électroniques. Il peut également s’agir d’améliorer la manière dont on met en œuvre un algorithme pour corriger des erreurs aléatoires.
En communication quantique, c’est aussi des associations entre équipes de recherche et industriels qui permettent de développer les systèmes et autres infrastructures nécessaires, essentiellement pour mailler le territoire avec des fibres optiques qui connectent divers utilisateurs. Ces collaborations concernent donc également le développement des briques de base que l’on insère dans des réseaux quantiques, parmi lesquelles les sources de lumière quantique, telles que les sources de photons intriqués, ou encore les détecteurs.
Comment incluez-vous la part de développements potentiels ou très émergents au sein du programme ?
S. T : En tant que pilotes de programme, nous devons procéder à une veille scientifique et technologique permanente et « performante » pour percevoir les signaux faibles ou ceux qui commencent à s’amplifier et entrevoir leur potentiel.
C’est la raison pour laquelle nous avons lancé un appel à projet non thématique et ouvert sur les quatre axes du programme, qui nous a permis d’admettre huit nouveaux projets. Chacun amène une nouvelle pierre à l’édifice, qu’elle soit technologique, conceptuelle ou les deux. Aussi, l’objectif d’ouverture a été tel que deux de ces projets sont portés par des équipes dont le cœur de métier n’est pas celui des sciences quantiques.
2025 est l’Année internationale des sciences et technologies quantiques, avez-vous capitalisé sur celle-ci en matière d’essaimage ou de communication ?
S. T : Oui, totalement. Nous avons lancé à cette occasion un appel à projets dédié à l’organisation de manifestations scientifiques, ouvert au fil de l’eau, qui a permis de financer une trentaine de manifestations scientifiques, majoritairement reliées à l’année du Quantique. Ces manifestations étaient plutôt destinées aux communautés scientifiques, mais nous avons pu compter également sur quelques événements grand public, ce qui est très valorisant pour le programme.
Le quantique est un domaine à la fois stratégique et en même temps assez peu accessible. La communication grand public revêt-elle à ce titre un enjeu important pour vous ?
S. T : Absolument. Nous souhaitons que le grand public s’approprie la physique quantique, souvent perçue comme une science un peu « mystique » ! J’aimerais que l’on puisse démystifier un peu les choses et il est clair que ceci est un enjeu de communication dont nous avons conscience, d’où la création de notre site web et de notre page LinkedIn. Via ces supports de communication, nous avons par ailleurs lancé le « Cahier de vacances du PEPR Quantique », feuilleton estival ludique visant à acculturer le grand public au domaine et à ses enjeux.
Nous sommes également associés à des vulgarisateurs grand public, comme Julien Bobroff ou Charles Antoine, qui est intervenu au salon VivaTech en mai 2025.
Nous devons nous adresser à divers niveaux de public, mais une des cibles qu’il me semble primordial d’acculturer aux sciences et technologies quantiques, et aux sciences en général, est le public jeune, en particulier les jeunes femmes. Pour cela, il faut commencer dès le primaire, ou au moins lycée. Cela implique alors d’être présent sur les réseaux, voire sur internet en général, pour proposer aux jeunes de l’information compréhensible, tout en étant à la fois valable et consolidée scientifiquement. Nous sommes heureux d’y contribuer à la mesure de nos moyens.
