Tous les Nobel du quantique français

Michel Devoret s’est illustré par des expériences réalisées au milieu des années 1980 montrant que les lois étranges de la mécanique quantique pouvaient s’appliquer à un circuit électrique macroscopique . En fabriquant une jonction Josephson – deux supraconducteurs séparés par une fine barrière isolante – Devoret et ses collègues ont observé deux phénomènes jusqu’alors inimaginables à cette échelle : l’effet tunnel quantique macroscopique (le circuit peut changer d’état sans « coup de pouce » extérieur, en passant à travers une barrière d’énergie) et la quantification de l’énergie (le circuit ne peut prendre que des valeurs d’énergie discrètes, comme un atome). En d’autres termes, un circuit électrique composé de milliards d’électrons s’est comporté comme un objet quantique unique pouvant occuper des états quantifiés et changer d’état par effet tunnel, confirmant expérimentalement que les lois de la mécanique quantique, longtemps confinées aux particules, pouvaient se manifester à une autre échelle. Ce passage du microscopique au macroscopique a ouvert un nouveau champ de recherche – parfois appelé quantronique – et a surtout jeté les bases des qubits supraconducteurs modernes . En effet, les circuits à jonctions Josephson développés par Devoret forment le socle des qubits supraconducteurs actuels, y compris ceux utilisés dans les processeurs quantiques de Google ou d’IBM.

Quantronique

Fort de cette avancée fondamentale, Michel Devoret a contribué durant les décennies suivantes à l’invention concrète de plusieurs types de qubits supraconducteurs. Dès 1999-2002, de retour en France, il cofonde le groupe Quantronique au CEA-Saclay avec Daniel Estève et Cristian Urbina, où est réalisé l’un des premiers qubits à base de jonction Josephson. Puis, à Yale en 2007, Devoret et ses collègues conçoivent le qubit « transmon », une version améliorée d’un qubit supraconducteur, moins sensible aux bruits électriques. Le transmon, grâce à sa stabilité, équipe aujourd’hui la plupart des ordinateurs quantiques supraconducteurs (notamment ceux d’IBM et de Google). Plus récemment, Devoret a participé à l’élaboration d’un autre concept novateur : le « qubit de chat », qui encode l’information quantique non plus dans deux états de courant distincts, mais dans deux états cohérents d’un oscillateur (analogue au célèbre chat de Schrödinger vivant/mort). Ce qubit de chat, co-inventé par Devoret en 2015, vise à corriger intrinsèquement certaines erreurs quantiques grâce à la superposition de deux états opposés. Il est devenu la technologie phare de la start-up française Alice & Bob.

Créée à Paris en 2020, Alice & Bob exploite les qubits de chat supraconducteurs pour construire un calculateur quantique universel tolérant aux fautes. L’entreprise a bénéficié directement de l’expertise de Michel Devoret : avant de rejoindre Google Quantum AI en tant que directeur scientifique, celui-ci a conseillé les fondateurs d’Alice & Bob et contribué à ses premières avancées. Aujourd’hui, la start-up a levé environ 130 millions d’euros et réuni plus de 150 employés pour développer son processeur à qubits de chat. Ses avancées en correction d’erreurs lui ont permis de démontrer des performances expérimentales surpassant celles de géants comme Google ou IBM dans certains tests. John Martinis, qui partage le prix Nobel avec Michel Devoret, siège également au conseil scientifique d’Alice & Bob.

En plus d’Alice & Bob, de nombreuses entreprises internationales bâtissent leurs ordinateurs quantiques sur l’architecture supraconductrice rendue possible par la percée de 1985 sur les jonctions Josephson : les laboratoires d’IBM et de Google en sont les exemples les plus en vue, mais on peut citer aussi IQM (start-up européenne basée en Finlande et en Allemagne) ou Oxford Quantum Circuits (Royaume-Uni), qui développent également des processeurs à qubits supraconducteurs.

Les intrications d’Alain Aspect

Si Michel Devoret a ouvert la voie des circuits quantiques, Alain Aspect s’est illustré en confirmant l’un des principes les plus déroutants de la physique quantique : l’intrication entre particules. En 1982, dans les laboratoires de l’Institut d’Optique d’Orsay, Aspect réalise une série d’expériences historiques démontrant sans ambiguïté la violation des inégalités de Bell. Ses photons intriqués se comportent de manière corrélée à distance, réfutant l’hypothèse de variables cachées locales et donnant raison à la mécanique quantique contre les doutes d’Einstein. Cette confirmation expérimentale de l’intrication – pour laquelle Aspect a reçu le Nobel de physique 2022 – est plus qu’une prouesse fondamentale : ses résultats « ont ouvert la voie à de nouvelles technologies fondées sur l’information quantique », souligne le comité Nobel.

En effet, grâce à Alain Aspect, la communauté scientifique a acquis la certitude que l’on pouvait utiliser l’intrication comme une ressource réelle. Cela a lancé un vaste domaine de recherche appliquée englobant les ordinateurs quantiques, les réseaux quantiques et la cryptographie quantique sécurisée. Autrement dit, les expériences d’Aspect ont fourni le socle conceptuel indispensable à la seconde révolution quantique : celle où l’on manipule volontairement les états quantiques (comme l’intrication) pour développer de nouvelles technologies de calcul et de communication.

Pince optique

Alain Aspect ne s’est pas arrêté à la démonstration sur les photons. Par la suite, toujours à l’Institut d’Optique, lui et ses collaborateurs ont orienté leurs recherches vers le contrôle d’atomes neutres par laser, une autre plateforme prometteuse pour l’information quantique. Dès 2001, un membre de son équipe (Georges-Olivier Reymond) parvient à piéger un seul atome dans une pince optique – première mondiale publiée dans Nature. Ce niveau de contrôle était un prérequis pour utiliser des atomes comme qubits.

Puis, en 2009, le physicien Antoine Browaeys (un ancien doctorant d’Aspect) démontre l’effet de blocage de Rydberg entre deux atomes. Il s’agit d’un phénomène d’interaction excluant l’excitation simultanée de deux atomes voisins, et qui permet en pratique de réaliser une porte quantique (interaction contrôlée) entre qubits atomiques. Cette avancée décisive a ouvert la voie à la programmation de qubits d’atomes neutres en réseau.

Les années suivantes ont confirmé le potentiel de cette approche : en 2016, l’équipe Browaeys/Lahaye parvient à simuler un système quantique à 30 qubits avec des atomes neutres piégés , et en 2018 ce sont déjà 72 atomes manipulés en 3D pour simuler 49 qubits intriqués. Ces performances, inatteignables à l’époque par d’autres plateformes, ont démontré que les atomes neutres pouvaient rivaliser avec les circuits supraconducteurs en termes d’échelle et de cohérence.

Le pari de Pasqal

Forts de ces succès académiques, Thierry Lahaye, Antoine Browaeys, Georges-Olivier Reymond (qui avait piégé un atome en 2001) et Christophe Jurczak se sont associés fin 2019 pour fonder la start-up Pasqal, avec l’appui d’Alain Aspect présenté comme cofondateur et figure tutélaire. Pasqal est officiellement un spin-off de l’Institut d’Optique, né de la recherche d’Alain Aspect. Son principe technologique consiste à piéger des atomes neutres (par exemple des atomes de rubidium) dans un réseau de pinces optiques, à les refroidir puis à les manipuler grâce à des lasers pour implémenter des qubits et portes logiques via l’interaction de Rydberg.

L’avantage de ces qubits atomiques est qu’ils peuvent être très nombreux (on parle d’architectures en 2D ou 3D de centaines d’atomes), sans besoin de températures cryogéniques – un contraste notable avec les qubits supraconducteurs, qui requièrent des réfrigérateurs à 0,01 K. Pasqal considère que cette approche à température ambiante permettra de passer à l’échelle plus facilement, avec moins de contraintes d’ingénierie, tout en offrant un contrôle précis des qubits.

Ne pas savoir demeurer en repos dans une chambre

En quelques années, Pasqal est passée du laboratoire à une entreprise de dimension internationale : lancée en 2019, elle opère déjà dans 8 pays et emploie environ 250 personnes, un effectif comparable à celui de la division quantique d’IBM. La société a levé plus de 100 millions d’euros et collabore avec de grands groupes industriels pour explorer les premières applications pratiques de son processeur quantique. Par exemple, EDF utilise la plateforme d’atomes neutres pour optimiser la recharge nocturne de flottes de véhicules électriques, Crédit Agricole pour des simulations de risque financier et Thales pour calculer des trajectoires optimales de satellites. Ces projets pilotes indiquent que l’ordinateur quantique à atomes neutres, s’il n’a pas encore surpassé les machines classiques de manière générale, commence à adresser des problèmes concrets en partenariat avec l’industrie.

Sur le plan mondial, le travail d’Alain Aspect a également inspiré ou encouragé d’autres initiatives entrepreneuriales. Outre Pasqal en France, on compte aujourd’hui plusieurs start-up spécialisées dans les qubits d’atomes neutres : les américaines Atom Computing (qui exploite le spin d’atomes neutres alcalino-terreux) et QuEra Computing (fondée par des chercheurs de Harvard et du MIT, utilisant des réseaux d’atomes de Rydberg), ou l’allemande Planqc (issue du Max-Planck-Institut de Munich) . Chacune de ces jeunes pousses s’appuie, d’une manière ou d’une autre, sur les principes qu’Aspect et ses successeurs ont établis : piégeage d’atomes uniques, intrication contrôlée d’ensembles d’atomes, et exploitation de l’intrication pour le calcul quantique.

Par ailleurs, l’intrication photonique démontrée par Aspect en 1982 reste le pilier d’autres architectures quantiques, notamment l’informatique quantique photonique. Des entreprises comme Quandela (en France) ou PsiQuantum (aux États-Unis) travaillent à construire des ordinateurs quantiques optiques en combinant des photons intriqués en grand nombre – une approche qui trouve ses racines dans les expériences d’optique quantique d’Aspect et de ses collègues. Enfin, l’intrication à distance est évidemment le fondement des communications quantiques sécurisées (distribution de clés quantiques, répéteurs quantiques, etc.), un secteur où l’Europe et la France se positionnent également grâce à l’héritage scientifique d’Aspect. En ce sens, les retombées de ses travaux se font sentir non seulement dans le calcul quantique, mais sur l’ensemble des technologies quantiques de l’information.

De la recherche fondamentale aux retombées économiques

Le parcours de Michel Devoret et d’Alain Aspect illustre ce que peut être le lien entre la recherche publique d’excellence et la création d’innovations technologiques. En moins de deux décennies, les notions jadis académiques de « qubit supraconducteur » ou de « qubit d’atome neutre » sont devenues le cœur d’une industrie mondiale en émergence – celle des ordinateurs quantiques. Des entreprises se créent, lèvent des fonds, recrutent des chercheurs et des ingénieurs, pour transformer ces concepts en machines fonctionnelles. En France, le rôle de Devoret et d’Aspect a clairement fertilisé un terreau fertile : sans le quantum tunneling dans les jonctions Josephson, pas d’ordinateurs quantiques supraconducteurs chez IBM ou Google ; sans la violation d’Aspect, pas de confiance généralisée dans l’intrication, donc pas de calcul quantique par atomes ou photons. Les deux lauréats français ont ainsi directement contribué à la naissance de start-up quantiques tricolores (telles qu’Alice & Bob et Pasqal) capables de se placer à la pointe du domaine. Ces jeunes entreprises collaborent avec des géants industriels et participent à une compétition technologique mondiale, où l’Europe entend bien jouer un rôle aux côtés des États-Unis et de la Chine.

Un exemple trop rare pour ne pas être relevé.