"Une révolution scientifique est d’abord conceptuelle, puis elle est scientifique et enfin technique."

Dans ce premier épisode des Rencontres d’EY, nous échangeons avec Alain Aspect dont les travaux sur le phénomène quantique ont été récompensés par le Prix Nobel de Physique en 2022. Et sur les applications concrètes de cette révolution.

Entretien réalisé par Anne-Sophie Bluzat.

En résumé :

• Quand un expert EY rencontre l’auteur d’un ouvrage qui marque l’actualité.
• Dans son dernier livre, « Si Einstein avait su » publié aux éditions Odile Jacob, Alain Aspect partage sa fascination pour le débat entre Niels Bohr et Albert Einstein, portant sur l’interprétation de la mécanique quantique.
• En complément de cet entretien mené par le pôle éditorial d’EY France, il fait un point sur les applications concrètes de la physique quantique avec Arnaud Laroche, associé EY, Associé, Consulting, Leader EMEIA en Analytics & Intelligence Artificielle.

Votre livre présente les expériences qui vous ont valu le prix Nobel. Quand avez-vous compris que le débat entre Einstein et Bohr était en passe d’être tranché ?

Des moments marquants, il y en a eu beaucoup pendant les sept années qu’a duré ce projet ! Par définition en physique expérimentale, on doit faire face à une multitude de difficultés. Et on est heureux à chaque fois qu’on parvient à en surmonter une.  Ce peut-être de colmater une fuite, aligner des lasers dans un caisson à vide qui se déforme lorsqu’on pompe, ou encore, réfléchir à une solution pour construire soi-même un commutateur acousto-optique jamais livré par un fabriquant ! Lorsqu’on est dos au mur, il y a l’énergie du désespoir qui permet de sortir du blocage. L’important, c’est de prendre le temps de réfléchir au problème et de trouver des solutions basées sur le raisonnement scientifique. Avoir un peu de chance ne nuit pas…

Je me souviens de la première fois où j’ai réussi à produire une paire de photons corrélés, c’était extraordinaire. J’avais mis plusieurs années à construire l’expérience qui comportait un jet atomique et des lasers difficiles à maitriser. Lorsqu’une idée se transforme en réalité, c’est un sentiment merveilleux. Bien sûr, je pense aussi à l’expérience finale, où les inégalités de Bell ont été violées par cinq écarts-type. Le résultat, tranchant le débat entre Einstein et Bohr qui m’avait tant passionné, était devant mes yeux, j’avais enfin une réponse. La physique quantique se voyait renforcée, et le point de vue d’Einstein, pourtant si pertinent, invalidé. L’aboutissement d’un projet de longue haleine qui m’avait occupé sept ans.

Vous remettez en cause l’idée de localité chère à Einstein, selon laquelle des objets distants n’ont pas d’influence directe l’un sur l’autre. Quelles sont les conséquences ?

Le résultat de ces expériences invite à questionner tout autant l’idée de localité que l’idée de réalisme d’Einstein. Ces concepts ont surtout une importance pour la représentation que nous avons de notre monde. Parmi les physiciens, il y a deux écoles : l’école « shut up and calculate », « calcule et ne pose pas de question ! » un point de vue largement répandu. Cette attitude consiste à adopter le formalisme quantique tel qu’il est, sans chercher de représentation, d’image, sans chercher ce que les équations impliquent dans le monde réel. L’autre école, à laquelle j’appartiens et à laquelle appartenait aussi Einstein, tient à représenter par des images ce que nous disent les équations. Cette posture permet d’avoir des intuitions que l’on peut ensuite vérifier par le calcul. Une façon de continuer à être curieux sur le monde et de tenter de l’expliquer avec des images.

Quels secteurs économiques sont susceptibles d’être touchés par cette découverte ?

Il est extrêmement difficile de répondre à cette question. Les révolutions scientifiques mettent des décennies à transformer la société. La première révolution quantique a débuté dans les années 1900, mais le transistor a été inventé seulement en 1947, le laser en 1960, et le basculement dans la société de l’information et de la communication à la fin du siècle. Une révolution scientifique est d’abord conceptuelle, puis elle est scientifique et enfin technique. Les applications sont difficilement prévisibles pour les chercheurs qui se trouvent en amont de la chaîne. Cependant, avec le recul, nous voyons émerger des applications de la seconde révolution quantique, et ce, beaucoup plus rapidement que je ne l’avais anticipé ! D’abord il y a la cryptographie quantique. Chiffrer des informations de façon parfaitement sécurisée en tirant parti des propriétés quantiques de la lumière est déjà possible et présente des avantages certains pour les domaines militaire, diplomatique et bien d’autres.

Ensuite, il existe des applications en métrologie quantique. Dans ce champ d’étude, il s’agit d’utiliser les propriétés des objets quantiques pour mesurer avec une très grande précision des grandeurs physiques comme le temps, le magnétisme, la gravité.  Mes anciens étudiants ont ainsi mis au point un système de mesure de la pesanteur qui permet de surveiller les volcans et tenter de prévoir les éruptions. On aura certainement aussi des applications dans le domaine de la santé, pour faire des mesures dans le cerveau ou le cœur. Enfin l’application sans doute la plus attendue : l’ordinateur quantique.

Nous en avons actuellement deux versions : le simulateur quantique, déjà utilisé pour étudier les propriétés de molécules complexes en chimie ou pharmacologie ; et l’ordinateur quantique idéal – je dirais même rêvé – basé sur des portes logiques et capable d’une capacité de calcul prodigieuse pour une fraction de la consommation énergétique des ordinateurs actuels.

Cet ordinateur est-il à portée de main ?

Des machines quantiques existent déjà. Le défi est d’augmenter le nombre de qubits (les bits élémentaires d’information quantique), et surtout de corriger les erreurs inévitables dans tout système matériel. C’est un problème que l’informatique classique a aussi connu en son temps. Il doit pouvoir être surmonté car aucune loi de la physique ne s’oppose au développement de milliers de qubits logiques. Les progrès sont rapides, plus rapides que ce que l’on pouvait espérer. Il n’est pourtant pas exclu que l’on se heurte à une limite fondamentale, à un théorème d’impossibilité empêchant d’aller au-delà d’un certain nombre de qubits. Ce serait une découverte fondamentale extraordinaire, et il faudrait alors prendre en compte cette limite pour essayer de la contourner. Le couple science et technique n’avance jamais aussi vite que lorsqu’il fait de tels aller-retours.

Quels pays selon vous auront l’avantage dans le développement de ces technologies ?

Les États-Unis bien sûr, l’Europe, en particulier la France, et la Chine. L’école de recherche fondamentale française est depuis longtemps parmi les meilleures, comme en témoignent les prix Nobels français. Je crois en trouver l’origine dans l’exceptionnel enseignement de Claude Cohen-Tannoudji, prix Nobel de physique 1997, qui a formé des milliers d’étudiants grâce à un livre qui a révolutionné la façon d’enseigner la physique quantique. C’est dans ce livre que je l’ai apprise. Puis j’ai eu la chance, comme des centaines de chercheurs, de suivre ses cours au Collège de France.

La France bénéficie également d’un écosystème entrepreneurial que l’État a patiemment construit depuis vingt ans. Par des mécanismes permettant aux chercheurs de consacrer 20 % de leur temps à un projet de start up sans perte de salaire ; en leur conservant une place dans les effectifs en cas de départ suivi d’un échec ; par la facilitation de création de start-up grâce à des aides de démarrage puis au soutien de BPI France, c’est tout un écosystème favorable à l’éclosion d’entreprises qui a vu le jour. Plusieurs de mes étudiants se sont ainsi lancés. Je pense notamment à Pasqal, une start-up qui construit aujourd’hui des ordinateurs quantiques basés sur un programme de recherche fondamentale développé par Antoine Browaeys. Pasqal a démarré dans les locaux de l’Institut d’Optique où ses créateurs ont pu bénéficier d’échanges quotidiens avec les chercheurs de l’équipe Browaeys. Ne pas cloisonner les sphères privées et publiques, c’est une excellente chose.

Les pépites quantiques françaises souffrent-elles d’un problème de financement ?

L’investissement privé dans le quantique est trop frileux dans notre pays. L’IA capte l’attention et prime souvent dans l’investissement.  On a pu le constater il y a deux ans lors d’une levée de fonds de Pasqal.

Heureusement le paysage s’est éclairci depuis. Les start-up françaises du quantique approchent de la taille critique pour entrer en bourse et accélérer leur développement comme l’ont déjà fait leurs concurrentes américaines, aujourd’hui valorisées à plusieurs milliards de dollars, mais cela devra se faire sur le marché international des capitaux.

Qu’est-ce que l’ordinateur quantique peut apporter à l’IA ?

L’IA se nourrit de données. Or la qualité des données peut être un véritable problème : opinions, biais, informations décorrélées du réel. Le risque est que les modèles tournent en rond, nourris de leur propre reflet. Au contraire, l’ordinateur quantique peut fournir des données parfaitement fiables car elles sont issues directement d’observations de la nature. Il pourrait donc devenir un allié précieux – et peut-être indispensable – pour l’IA.

Avez-vous des lectures ou des vidéos à conseiller pour mieux comprendre cette révolution quantique ?

Dans mon livre « Si Einstein avait su », vous pouvez lire l’histoire de l’émergence de la première révolution quantique, le cheminement intellectuel des scientifiques au tournant du XXe siècle, puis celle de la seconde révolution quantique. J’en ai profité pour expliquer quelques notions de base de la physique quantique. Je me suis efforcé d’offrir plusieurs niveaux de compréhension, d’une part pour des lecteurs curieux qui ne sont pas des scientifiques, mais aussi pour des profils plus experts.

Si vous préférez les moyens audiovisuels, il existe d’excellentes vidéos sur la physique quantique, par exemple sur la chaîne Science étonnante de David Louapre. Vous pouvez également aller voir les vidéos de Julien Bobroff, physicien qui se consacre aujourd’hui essentiellement à la vulgarisation scientifique et pour qui l’Université Paris-Saclay a créé spécialement une chaire. Enfin, si vous aimez les bandes dessinées, celle d’Etienne Klein sur la physique quantique vous intéressera sûrement mais on en trouve d’autres.

L’entretien a été réalisé par Anne-Sophie Bluzat, manager au sein du pôle éditorial.

Arnaud Laroche. Dans le cinquième numéro du magazine « Polytechnique Insights » daté de 2023, le lecteur pouvait découvrir les premières applications de la physique quantique dans le domaine de la santé, l’astronomie et de l’électronique. Depuis la publication de ce magazine, quels ont été les progrès observés, les nouvelles applications concrètes ?

Les applications concrètes sont dans le domaine de la métrologie quantique, avec des capteurs de plus en plus performants, et la cryptographie quantique que l’on sait mettre en œuvre sur les réseaux existants de fibre optique. Dans le domaine de l’ordinateur quantique, on n’en est pas encore à la machine universelle à mettre entre toutes les mains, mais on a des applications de niche, par exemple dans le domaine de la chimie quantique et de la pharmacologie, avec le calcul de propriétés de grosses molécules inaccessibles au calcul classique.

A.R. D’autres secteurs peuvent-ils en bénéficier ?

Je suis bien incapable de le dire. L’histoire des sciences et des techniques - par exemple celle du laser - nous montre que, le plus souvent, ce ne sont pas les scientifiques à l’origine des progrès fondamentaux qui ont les meilleures idées d’applications.

A.R. La fusion nucléaire est une réalité théorique (elle se produit chaque jour au sein du soleil). Mais elle est encore une hypothèse pratique avec des défis d’ingénierie colossaux. La physique quantique peut-elle accélérer le calendrier ?

Il faut faire feu de tout bois pour avancer dans ce domaine. Je suppose que l’ordinateur quantique peut jouer un rôle utile dans le domaine des matériaux ou dans celui de la stabilité des plasmas thermo-nucléaires.

A.R. Le quantique peut-il améliorer la gestion des flux énergétiques ?

Comme je l’ai maintes fois expliqué, le problème de l’optimisation en temps réel des grilles électriques est un problème d’optimisation exponentiellement difficile, où l’ordinateur quantique pourrait apporter des solutions efficaces.

A.R. Le coût financier de la recherche dans le domaine quantique est-il élevé ? En d’autres termes, les avancées permises par la physique quantique peuvent-elles bénéficier au plus grand nombre ?

Non, la recherche dans le domaine quantique n’a pas un coût exceptionnellement élevé en ce qui concerne la recherche fondamentale qui reste absolument nécessaire, que ce soit dans l’exploration des propriétés quantiques de la matière et du rayonnement, ou dans le développement des algorithmes quantiques. En ce qui concerne l’ordinateur quantique, ce qui est cher ce sont les développements pour mettre des machines fiables à la disposition des utilisateurs, et ici le financement est assuré d’abord par les crédits d’aide aux start-up et le capital-risque.  Mais cela reste des machines chères. On est encore très loin du passage que l’on a connu des gros ordinateurs des années 1970 aux ordinateurs personnels. Il y a des applications de la physique quantique beaucoup moins chères, par exemple les générateurs de nombres aléatoires basés sur la réflexion ou la transmission d’un photon sur une lame semi-transparente, où le caractère aléatoire est garanti par les lois fondamentales de la physique quantique. Je suis persuadé que nous aurons de nombreuses applications légères de la physique quantique de ce type, j’ai confiance dans l’imagination des inventeurs qui feront l’effort de comprendre les résultats de la recherche fondamentale.

Ce qu'il faut retenir

EY France vous propose un nouveau format éditorial intitulé »Les rencontres d’EY ». Son concept ? Un expert EY rencontre l’auteur d’un ouvrage qui marque l’actualité.

Dans ce premier épisode, nous partons à la rencontre d’Alain Aspect dont les travaux sur le phénomène quantique ont été récompensés par le Prix Nobel de Physique en 2022. Il est l’auteur de l’ouvrage « Si Einstein avait su ». Avec Arnaud Laroche, associé EY, il échange sur les applications concrètes de la physique quantique.