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22 hours ago
Il y a presque un siècle, de 1925 à 1927, les équations et les principes fondamentaux de la mécanique quantique ont été découverts, entraînant dans les décennies suivantes la première révolution technologique quantique avec l'électronique des semi-conducteurs, le laser et le maser et bien sûr la physique nucléaire (sans oublier des travaux sur la supraconductivité).
Découvrez en animation-vidéo l'histoire de la physique quantique : depuis la catastrophe ultraviolette jusqu'aux promesses de l'ordinateur quantique en passant par la première et la seconde révolution quantique avec les idées de Feynman et Peter Shor. Une animation-vidéo coréalisée avec L’Esprit Sorcier. © CEA Recherche
La France, une Mecque de la mécanique quantique
Depuis presque deux décennies, c'est une seconde révolution quantique qui prend son essor et qui s'accélère depuis lors. On continue à utiliser l'existence de niveaux d'énergie discrets pour des systèmes quantiques (ainsi que l'effet tunnel quantique) mais, aujourd'hui, le front de la recherche s'est déplacé en grande partie vers ce que l'on appelle la théorie de l'information quantique.
Elle utilise deux des principes fondamentaux de la mécanique quantique, la superposition et l'intrication des états quantiques (voir les cours de Leonard Susskind à ce sujet), pour décrire et manipuler la version quantique des bits d'information des ordinateurs classiques : les qubits.
Prix Nobel de physique 2025 : la mécanique quantique à l'honneur avec un nouveau lauréat français !
Il y a un siècle cette année, Werner Heisenberg, Max Born et Erwin Schrödinger découvraient les bases de la mécanique quantique et ouvraient la porte à la première révolution quantique. On espère une seconde révolution avec notamment des circuits quantiques pour des ordinateurs quantiques. C'est sans doute en raison de toutes ces considérations présentes à l'esprit que le prix Nobel de physique 2025 a été décerné à John Clarke, Michel Devoret et John Martinis « pour la découverte de l'effet tunnel quantique macroscopique et de la quantification de l'énergie dans un circuit électrique », selon les termes du comité Nobel. Bien qu'en poste aux USA à l'Université de Yale, Michel Devoret est un physicien français !... Lire la suite
La France est dans le peloton de tête des acteurs de cette révolution avec plusieurs prix Nobel de physique, comme Alain Aspect et Michel Devoret.
« Je dois au CEA cette récompense. » C’est par ces quelques mots que Michel Devoret, lauréat du prix Nobel de physique 2025, introduit une conférence scientifique exceptionnelle : « Circuits Josephson : des phénomènes quantiques macroscopiques aux atomes artificiels », enregistrée sur le site CEA de Saclay. Formé au CEA et pionnier des circuits quantiques supraconducteurs, Michel Devoret a été récompensé aux côtés de John Clarke et John Martinis pour des travaux fondateurs qui ont jeté les bases du calcul quantique moderne. Le lauréat du prix Nobel de physique 2025 revient sur comment a été découvert l’effet tunnel quantique macroscopique et la quantification de l’énergie dans les circuits supraconducteurs. Des travaux à la base des avancées actuelles vers des calculateurs quantiques utilisant ce type de circuit, développés notamment par Google et en France par la start-up Alice & Bob. Une distinction qui prolonge la remarquable lignée de prix Nobel français dans le domaine quantique et illustre l’excellence française dans cette discipline stratégique. © CEA
Le CEA conduit des recherches à ce sujet depuis longtemps, notamment sur la quantronique, l'électronique de la seconde révolution quantique. Un groupe de recherche éponyme, QUANTum physics and electrRONICS, y a été créé par Michel Devoret, Daniel Estève et Cristian Urbina en 1985, au retour de leur post-doc à l'Université de Berkeley (Californie) dans le groupe du futur prix Nobel de physique John Clarke.
Quatre manières de faire une révolution quantique
Il y a quatre thèmes principaux de recherche dont on attend de nouvelles révolutions quantiques et qui font également l'objet de travaux au CEA.
Le premier, c'est celui des ordinateurs quantiques issus notamment des travaux du pionnier Richard Feynman. Ces machines, dans l'idéal, doivent pouvoir résoudre des problèmes intraitables par des superordinateurs classiques, par exemple en découvrant ou en expliquant les propriétés de nouveaux matériaux et de nouvelles molécules pour la médecine, ou encore en ce qui concerne des problèmes d'optimisation avec l'ubiquiste problème du voyageur de commerce. On parle alors de suprématie quantique.
En fait, en l'état et ce qui semble à portée de main, ce sont des ordinateurs quantiques qui font des calculs un peu plus vite que des ordinateurs classiques et à moindres coûts énergétiques. On parle alors d'avantage quantique.
Quandela et ses ordinateurs photoniques, la clé de la seconde révolution quantique ? Partie I
Il y a presque trois décennies, les ordinateurs quantiques étaient encore du domaine de la science-fiction, bien que faisant déjà l'objet de travaux au moins théoriques très sérieux. Aujourd'hui, certains existent déjà et on espère que leur prochaine génération sera plus performante que les super-ordinateurs classiques pour résoudre de nombreux problèmes concernant l'optimisation et la simulation de bien des processus ou matériaux. Remarquablement, l'école de physique quantique française et certaines des startups qu'elle a inspirées sont dans le peloton de tête de la course mondiale à ce sujet. Futura a eu la chance de visiter l'une d'elles : Quandela. C'est l'occasion de faire connaissance dans un article en deux parties, dont voici la première, avec les machines qu'elle commercialise déjà : des ordinateurs quantiques photoniques.... Lire la suite
On a déjà des résultats intéressants en couplant de petits ordinateurs quantiques avec des supercalculateurs classiques, comme le montre le cas de Lucy tout dernièrement.
La révolution des ordinateurs quantiques est en marche et elle envisage de plus en plus de joindre ses forces à celles du calcul haute performance (HPC), rendu possible par des supercalculateurs classiques comme le Joliot-Curie du CEA, qui permet déjà 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. Pour faire équipe avec lui, l'ordinateur quantique photonique Lucy, issu d'une coopération industrielle franco-allemande formée par Quandela et Attocube, est désormais accessible gratuitement – en combinaison avec le Joliot-Curie – aux acteurs de la recherche et de l’industrie européennes, pour explorer le potentiel du calcul quantique et relever de grands défis scientifiques.... Lire la suite
Sans aller jusqu'à avoir un véritable ordinateur quantique universel programmable comme le sont nos micro-ordinateurs, on peut imaginer des simulateurs quantiques ayant eux aussi un avantage quantique, mais pour résoudre des problèmes bien spécifiques : par exemple, trouver un supraconducteur à température et pression ambiante. C'est le second thème de recherche de la révolution quantique en cours.
Toutefois, dans les deux cas, il faut disposer d'un assez grand nombre de qubits (>1 000). Or, plus ils sont nombreux, plus les calculs sont parasités par le phénomène de décohérence quantique. On essaye de le résoudre en explorant différentes voies possibles pour s'en protéger ou en utilisant des codes correcteurs d’erreurs. Il faut aussi pouvoir passer d'un système approprié à un petit nombre de qubits à un grand nombre, en faisant croître en taille le système quantique de façon simple et peu coûteuse.
Le troisième thème de recherche concerne les communications quantiques et notamment en ce qui concerne la cryptographie quantique pour rendre des transferts d'informations inviolables.
Le quatrième thème est moins connu et il concerne les capteurs quantiques. Ces capteurs utilisent les lois de la mécanique quantique pour faire de la détection fine de signaux. On dispose ainsi de gravimètres (mesurant la gravité) pouvant servir à prévoir les séismes, détecter la formation d'une poche de magma dans un volcan ou prospecter les sous-sols.
Fin mars, l'entreprise québécoise SBQuantum a franchi une étape déterminante en lançant avec succès un capteur quantique dans l'espace, dans le cadre du concours MagQuest de la National Geospatial-Intelligence Agency (NGA). Ce magnétomètre quantique à base de diamant pourrait non seulement améliorer la cartographie du champ magnétique terrestre, mais également ouvrir la voie à une nouvelle ère de « navigation magnétique », offrant une alternative robuste et fiable au GPS. David Roy-Guay, fondateur de SBQuantum, nous explique les enjeux et les avancées attendues de cette innovation majeure.... Lire la suite
Des accéléromètres (qui mesurent l'accélération) peuvent être utilisés dans la mise au point de systèmes de navigation autonomes. Il est possible aussi de mesurer de faibles champs magnétiques afin d’étudier le cerveau, mais pas seulement.
Le laboratoire de physique fondamentale du groupe d'électronique quantique (quantronique) du CEA invente, conçoit, fabrique et caractérise des circuits et composants quantiques. Les circuits électriques quantiques peuvent se trouver globalement dans deux états électriques à la fois, alors que ces deux états sont normalement incompatibles. Découvrez ces différentes étapes en vidéo. © CEA
La voie des qubits supraconducteurs
On l'a dit, il existe plusieurs voies possibles pour des ordinateurs ou des simulateurs quantiques. Il s'agit toutefois à chaque fois de disposer de supports pour des qubits et de moyens de les influencer, de les mesurer lors des processus conduisant à des calculs pour exécuter des algorithmes quantiques utiles de manière tolérante aux erreurs de calcul.
Une voie possible est de manipuler des électrons et leurs spins dans des boîtes quantiques avec plusieurs niveaux d'énergie pour ces électrons et donc divers états quantiques. C'est par exemple ce que tente de faire dans des puces semi-conductrices la start-up Quobly, anciennement nommée SiQuance, qui explore à Grenoble des travaux conduits initialement au CEA.
SiQuance, la start-up issue du CEA et du CNRS qui veut révolutionner les ordinateurs quantiques
Les lois de la mécanique quantique laissent penser qu'à l'horizon d’une dizaine d’années si l'on s'y prend bien, des ordinateurs — ou pour le moins, des calculateurs spécialisés dans la résolution de certains problèmes impossibles à résoudre pendant le temps de calcul d'une vie humaine par des super-ordinateurs classiques —, verront le jour en exploitant des phénomènes quantiques. Parmi les start-ups françaises prometteuses pouvant permettre de prendre une place importante dans cette révolution que pourrait constituer le calcul quantique, il y a depuis la fin de l'année dernière SiQuance, à Grenoble. Elle s'appuie sur des travaux menés depuis un certain temps par le CEA et le CNRS. À terme, on estime que cette seconde révolution quantique pourrait créer plus de 500 milliards d'euros de valeur au sein de toute l’industrie (énergie, transport, santé…).... Lire la suite
Le CEA n'explore pas que la voie des qubits semi-conducteurs, mais aussi celle des qubits supraconducteurs. Il s'agit là aussi de réaliser des sortes d'atomes artificiels possédant des niveaux d'énergie comme pour les vrais atomes avec des électrons. Ces circuits supraconducteurs sont les briques des ordinateurs quantiques de Google développés par une équipe menée par le prix Nobel de physique John Martinis.
Mais, en fait, ces circuits sont issus des travaux pionniers de Michel Devoret, Daniel Estève et Cristian Urbina en 1985 au CEA, au retour de leur post-doc à Berkeley dans le groupe de John Clarke, John Martinis étant lui-même post-doc au CEA dans le groupe Quantronique.
Ces circuits supraconducteurs pouvant porter des qubits sont construits avec des jonctions Josephson, des circuits électriques exploitant les travaux du prix Nobel de physique Brian Josephson.
Ces circuits peuvent servir également de capteurs quantiques et le physicien du CEA Emmanuel Flurin a montré qu'on pouvait s'en servir pour tenter de détecter des particules de matière noire, en l'occurrence des axions.
Cette vidéo, diffusée en direct sur la chaîne YouTube du CEA, met en lumière Emmanuel Flurin, chercheur en électronique quantique au sein du Groupe Quantronique du SPEC à l’Iramis. Il échange avec Nicolas Sangouard, chercheur en information quantique à l’IPhT, ainsi que Durden, rappeur de l’émission Nouvelle École sur Netflix et passionné de sciences, et Marie Treibert, vulgarisatrice scientifique reconnue sous le nom La boîte à curiosités, qui assure l’animation de cette rencontre. À travers des métaphores inspirées des jeux vidéo, de la musique et de la culture populaire, cette vidéo présente les principes fondamentaux de la mécanique quantique et les perspectives technologiques qu'elle ouvre. Elle invite ainsi un large public à s’immerger dans un domaine scientifique en dépassant les idées reçues. © CEA
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