De la construction d'architectures hybrides à la résolution de questions fondamentales complexes, le physicien quantique Mauro Paternostro souligne le vaste potentiel offert par le paysage technologique quantique
Nous sommes au milieu d’une renaissance quantique, avec des chercheurs du monde universitaire et de l’industrie qui rivalisent tous pour « gagner » la course à l’informatique quantique. Le marché quantique est en plein essor, avec de très nombreuses entreprises, grandes et petites, qui investissent dans cette technologie, soutenues par d'énormes financements gouvernementaux à travers le monde.
Mauro Paternostro, physicien quantique à l'Université de Palerme et à l'Université Queen's de Belfast, est un expert en traitement de l’information quantique et en technologie quantique. Travaillant sur les fondements du sujet, son équipe mène des recherches pionnières en optomécanique des cavités, en communication quantique et au-delà. Il est également rédacteur en chef de la revue IOP Publishing. Science et technologie quantiques.
Dans cette vaste interview, Paternostro parle au Commissariat de Tushna de son point de vue sur le paysage quantique – des « quatre piliers » de la technologie quantique et des architectures hybrides au mariage prometteur entre la technologie quantique et l’intelligence artificielle (IA). Paternostro souligne également la nécessité d'un financement gouvernemental continu pour réaliser le véritable potentiel de cette technologie qui change le monde.
Nous avons vu la bulle quantique exploser au cours de la dernière décennie, mais quels sont les avantages et les risques potentiels de l’expansion exponentielle des entreprises et du financement de technologie quantique dans le monde ?
Dans l’ensemble, le bilan est très positif. Le traitement de l’information quantique avait besoin d’un coup de pouce de la part de l’industrie, car les entreprises peuvent promouvoir les développements plus pragmatiques dont le domaine a besoin. La perspective offerte par l’industrie contribue à façonner les technologies quantiques de manière plus ciblée, en ce qui concerne les objectifs généraux. Le marché naissant et en pleine expansion – que ce soit dans l’industrie ou dans le monde universitaire – est formidable.
Mais comme vous le soulignez, la croissance a été rapide. Et même si c’est plutôt une bonne chose, il y a aussi une petite inquiétude quant à la possibilité que nous soyons en train de créer une grosse bulle qui éclatera le plus tôt possible. Je pense donc que c'est une question de contrôle : nous devons nous restreindre quelque peu, tout en permettant au domaine de la recherche de se développer de manière organique.
Je suis légèrement préoccupé par le nombre de petites entreprises qui semblent toutes développer leur propre logiciel quantique. Leurs produits ont très peu à voir avec les véritables algorithmes quantiques et sont généralement des solutions d’optimisation classiques – qui ont leurs propres mérites. Mais il ne s’agit pas nécessairement de ce que j’appellerais un cadre quantique.
En revanche, certaines entreprises spin-off sont davantage orientées vers la mise en œuvre de plateformes de traitement quantique, comme les capteurs quantiques. Celles-ci sont vraiment intéressantes, car ce n’est pas seulement le calcul quantique qui est en jeu, mais aussi d’autres lois physiques.
Quatre piliers sous-tendent le développement de la technologie quantique : l’informatique quantique ; simulation quantique; communication quantique; et la détection quantique et la métrologie. Et je dirais que tous les quatre se développent de manière très saine.
La détection quantique semble être l'une des plus avancées, avec la communication, grâce à la maturité des technologies qu'elles peuvent exploiter. Bien que l’implication de l’industrie soit bénéfique et prometteuse, nous devons nous méfier de la spéculation sauvage et de « l’inflation » qui découlent du fait d’essayer de sauter dans un bus rapide, sans avoir le plein tarif du trajet à portée de main.
Et même si je suis souvent sceptique à l’égard des petites entreprises, il arrive aussi que l’on reçoive des nouvelles inquiétantes de la part des grands acteurs. Par exemple, la société technologique chinoise Alibaba avait intérêt à développer des plates-formes et des solutions informatiques quantiques, jusqu’à ce qu’elle décide soudainement de fermer son équipe quantique interne à la fin de l’année dernière, déclarant qu’elle préférait se concentrer sur son statut de leader dans la recherche sur l’IA.
Était-ce simplement une décision commerciale, ou Alibaba sent-il quelque chose que nous n’avons pas encore senti ? Je suppose que nous devrons attendre et voir. Dans l’ensemble, je pense que l’avenir est prometteur et que la participation de l’industrie est une très bonne nouvelle.
Il existe un certain nombre de technologies informatiques quantiques différentes qui se disputent la première place – des ions piégés et des points quantiques aux qubits supraconducteurs et photoniques. Selon vous, lequel est le plus susceptible de réussir ?
Je suis plutôt agnostique, dans le sens où je ne crois pas que le premier appareil quantique que nous construirons sera entièrement quantique. Je sais que pour certains, c'est une opinion controversée, mais c'est une opinion partagée par beaucoup d'autres dans mon domaine. Je pense que nous aboutirons à une architecture hybride, où le meilleur des calcul haute performance (HPC) s'interfacera avec les architectures d'informatique quantique.
Peut-être que ceux-ci quantique bruyant à échelle intermédiaire (NISQ) Les architectures seront rejointes par une architecture HPC à part entière qui augmentera leurs performances, ou vice versa. Les ressources quantiques mises à disposition par ce type de dispositif hybride amélioreront les performances que le HPC classique actuel peut produire. Je crois fermement à la faisabilité de ce type d’architecture hybride – une solution entièrement quantique est encore loin d’être là où nous en sommes actuellement.
De plus, je ne suis pas entièrement convaincu que nous serons en mesure de gérer les ressources massives qui seraient nécessaires pour exploiter pleinement le déficit de puissance de calcul qu'offrirait un ordinateur quantique. Un objectif à moyen terme visant cette architecture quantique HPC hybride sera une architecture beaucoup plus réaliste – et potentiellement très fructueuse – à poursuivre. Je suis légèrement optimiste quant au fait que quelque chose se produira dans ma vie.
Vous avez mentionné que des capteurs quantiques sont déjà développés pour une grande variété d’applications, notamment dans les soins de santé, la construction et même la mesure de la gravité. Qu’y a-t-il de nouveau et d’excitant dans ce domaine ?
Les capteurs quantiques développent des capacités étonnantes pour étudier des mécanismes jusqu’ici insaisissables. Essentiellement, ces capteurs nous aident à mieux détecter les effets quantiques potentiels de forces telles que la gravité, que de nombreux chercheurs britanniques souhaitent étudier. Une fraction importante de la communauté expérimentale poursuit ces objectifs – le pôle quantique de l'Université de Birmingham étant en tête dans ce domaine.
Je ne pense pas que quiconque prétende qu'il existe une plate-forme expérimentale gagnante à poursuivre – les atomes froids et l'optomécanique sont parmi les plus prometteuses à cet égard. Mais les progrès théoriques et expérimentaux réalisés dans ce domaine sont très intéressants.
Les capteurs capables de sonder la nature fondamentale de mécanismes physiques insaisissables constitueront, à mon avis, un développement clé. Et puis il existe d’autres dispositifs de détection, comme les accéléromètres ou les imageurs, qui sont déjà assez bien rodés. Le Programme national de technologies quantiques du Royaume-Uni a déjà réalisé des progrès significatifs à cet égard, et la technologie est disponible et suffisamment mature pour avoir un réel impact.
Je pense que les industries devraient investir massivement dans ce domaine car, aux côtés de la communication, la détection est à l’avant-garde de la mise en œuvre des technologies quantiques à ce stade.
Préparer le terrain pour un marché quantique : où en est l'entreprise quantique et comment elle pourrait se dérouler
Et qu’en est-il de la communication quantique ?
La communication quantique est probablement l’exemple le plus concret où les progrès académiques ont été mis à profit, au profit d’objectifs dirigés par l’industrie. C'est un exemple absolument superbe de ce que nous pouvons réaliser lorsque ces deux éléments travaillent ensemble.
Bien que les progrès aient été fantastiques, ils comportent également des aspects controversés, en particulier si l’on considère les implications géopolitiques plus larges d’un réseau quantique mondial. La question de la sécurité des communications et des données deviendra importante, nous devons donc examiner attentivement les implications plus larges de ces évolutions technologiques. Les frontières géopolitiques changent continuellement et leurs objectifs ne coïncident pas toujours avec les objectifs scientifiques.
Quels sont les domaines clés où l’IA et les technologies quantiques se croisent ? Où s’entraident-ils le mieux et quels sont les problèmes potentiels ?
C'est une question très importante. Il va sans dire que le Saint Graal dans les deux domaines est très proche : l’IA et le calcul quantique reposent tous deux sur le développement de nouveaux algorithmes. On entend des gens parler d’apprentissage automatique quantique (ML) ou d’IA quantique, mais ce n’est pas vraiment ce qu’ils veulent dire. Ils ne font pas référence à des algorithmes quantiques spécifiquement conçus pour les problèmes d’IA ou de ML. Ce qu’ils signifient, c’est l’hybridation de l’apprentissage automatique classique ou de l’IA classique avec des problèmes quantiques.
Ces solutions dépendront du domaine et du problème que nous essayons de résoudre. Mais en général, nous nous intéressons aux techniques classiques de traitement d’ensembles de données ; optimiser les problèmes ; résoudre des fonctions de coût ; et contrôler, optimiser et manipuler les problèmes quantiques.
C'est très prometteur, car vous rassemblez le meilleur des deux mondes. D'un point de vue théorique, l'objectif est d'aborder les questions qui doivent être abordées au niveau général de la mécanique quantique, et peut-être les problèmes les plus vastes et les plus complexes en termes d'échelle. Nous souhaitons construire des outils au niveau algorithmique qui vous permettent de faire face à la complexité de ces problèmes de manière certifiable et consolidée.
Et ce qui est intéressant, c’est que les expériences ont commencé à rattraper les développements théoriques. Nous disposons déjà d'un certain nombre de solutions, d'approches et de méthodologies qui ont été développées dans ce scénario hybride où le ML et le traitement de l'information quantique se rejoignent.
J’espère que ces expériences feront l’objet d’une enquête approfondie dans les prochaines années et qu’elles ne seront pas rattrapées si la bulle de l’IA et de la quantique éclate. Je doute cependant que ce soit le cas, car l’IA est là pour rester, tandis que le ML est désormais un outil incontournable utilisé par les analystes de données du monde entier. Si nous avons l’ambition d’accroître la complexité des problèmes que nous pouvons et devons résoudre, nous devons alors nous concentrer sur le développement de ces outils.
Quelles sont les nouvelles initiatives en cours dans ce domaine ?
Plus tôt cette année, Recherche et innovation au Royaume-Uni (UKRI) a annoncé qu'il finançait neuf nouveaux centres de recherche pour « fournir des technologies d'IA révolutionnaires » pour résoudre des problèmes complexes allant des soins de santé à l'énergie, ainsi que 10 autres études pour définir « l'IA responsable ». Je sais qu’un certain nombre d’entre elles ont une composante quantique – en particulier dans le domaine de la santé, où les solutions basées sur l’IA sont absolument fondamentales, mais il peut également y avoir des solutions quantiques.
Je suis donc très optimiste quant à la fusion de l’IA et de la technologie quantique, à condition que le développement d’un cadre d’IA soit réglementé. À l'heure actuelle, le La Commission européenne formule le cadre juridique de sa loi sur l'IA, qui abordera les risques que l’IA pourrait poser et le rôle mondial que l’UE espère jouer dans la réglementation de cette technologie. Le Royaume-Uni et les États-Unis travaillent déjà depuis un certain temps sur des cadres similaires. Nous devrions donc formuler une politique et une réglementation mondiales le plus tôt possible.
Tant que ce développement suit une politique réglementée dotée d'un cadre solide, les interactions de l'IA avec les technologies quantiques devraient créer un mécanisme de rétroaction bidirectionnel utile qui aidera les deux domaines à se développer de manière significative.
En ce qui concerne le financement de la technologie quantique par les gouvernements du monde entier, dans quels domaines spécifiques souhaiteriez-vous voir davantage d’investissements ?
Mes subventions ! Mais sur une note plus sérieuse, les investissements gouvernementaux ont été généralisés et substantiels dans ce qui est essentiellement encore un domaine scientifique émergent. Comparé à d'autres domaines qui reçoivent des fonds scientifiques, comme la recherche militaire ou médicale, le montant d'argent investi est presque ridicule – mais c'est bien sûr une très bonne chose pour nous. L’un des avantages de ce type de dépenses gouvernementales est qu’elles nous obligent à former une communauté et à définir des objectifs communs.
Si l’on se réfère aux quatre piliers susmentionnés, il existe un lien sous-jacent entre la physique fondamentale et les développements théoriques. Différents pays ont choisi un ou plusieurs piliers sur lesquels se concentrer, en fonction de leur expertise et de leurs ressources. Les États-Unis sont très concentrés sur le calcul. L'UE est plus étendue et la situation est donc plus complexe, mais il y a des investissements majeurs dans les communications, ainsi qu'un intérêt croissant pour la simulation, tandis qu'un certain nombre de stratégies nationales de l'UE sont également axées sur la détection.
Le Royaume-Uni tente également de couvrir l’ensemble du spectre, mais en identifiant quelques sujets très bien définis, de l’imagerie au calcul, et de la communication à la détection. Certains pays comme la Finlande ont une approche plus expérimentale et se concentrent sur les architectures supraconductrices, car ils disposent déjà d’énormes installations. Singapour, quant à elle, développe une ligne de recherche très solide dans le domaine de la communication quantique par satellite. Pour un petit pays, son potentiel est énorme, tant en termes de talents que de ressources.
Ainsi, différents pays ont développé leur propre domaine d’expertise, de manière organique. Et ce faisant, nous gagnons tous en tant que communauté – nous bénéficions tous de tous les progrès qui ont été réalisés. Quelques petits pas, quelques pas plus progressifs, d'énormes sauts quantiques.
Je pense qu’il sera très important que les gouvernements, nationaux et supranationaux, se rendent compte que les investissements dans les technologies quantiques doivent être soutenus. C'est un domaine qui a besoin d'un soutien continu et ininterrompu pour atteindre ses nobles objectifs. Et nous, en tant que communauté scientifique, devons projeter une image cohérente avec exactement le même ensemble d’objectifs, malgré nos différences. Ce n’est qu’à ce moment-là que nous serons les mieux placés pour traduire les technologies quantiques en réalités qui changeront la vie.
En tant que nouveau rédacteur en chef de Science et technologie quantiques (TVQ), quelle est votre vision pour la revue ?
C'est un grand honneur, et j'en suis absolument flatté, mais c'est aussi un grand effort, compte tenu de l'évolution du paysage des revues liées au quantique. Ce que je souhaite pour la revue, c'est que la TVQ demeure l'une des voies privilégiées pour soumettre des contributions de premier ordre. Mais je veux aussi contribuer à façonner le manifeste de la revue et ses objectifs.
Ma première priorité en tant que rédacteur en chef a donc été de mettre en place un comité exécutif qui, avec le soutien du comité de rédaction, définira de manière claire la portée et la mission de la revue. Et cela éclairera ensuite la manière dont la revue se développera au cours des prochaines années, guidée par la communauté de la recherche quantique. En termes de portée, j’aimerais voir davantage de mises à jour expérimentales de haute qualité qui repoussent les limites de la mise en œuvre des technologies quantiques.
IOP Publishing dispose d'un accord transformateur (TA) avec votre institution, en termes de publication en libre accès. Pouvez-vous m'en parler ?
Je pense que cet accord a changé la donne en ce qui concerne la publication de nos résultats. Compte tenu des critères stricts que les conseils de recherche ont imposés aux résultats financés par des subventions – du Conseil de recherche en ingénierie et en sciences physiques (EPSRC) par exemple – et de la nécessité qu'ils soient entièrement accessibles et que les données soient entièrement disponibles pour la communauté, avoir une AT qui garantit le libre accès est ce dont nous avons besoin. C'est formidable d'avoir l'esprit tranquille car IOP Publishing est une voie viable pour publier mes résultats conformes à l'EPSRC.
Outre le respect du financement, l'accord IOPP supprime la charge administrative liée au traitement des factures pour les frais de publication d'articles (APC), ce qui représente un grand soulagement pour les scientifiques. J'ai préconisé d'élargir l'initiative – en concluant des accords similaires avec d'autres maisons d'édition – mais aussi de veiller à ce qu'il ne s'agisse pas d'une expérience ponctuelle qui s'évanouira au cours de l'année prochaine. Nous devrions rendre systémique la façon dont les institutions du Royaume-Uni mais, à mon avis, de l'Europe sont impliquées. Cela doit être reflété dès le départ dans le fonctionnement des établissements d’enseignement supérieur et des instituts de recherche. Assurer une synergie entre les maisons d’édition et les universités ou instituts de recherche est crucial.
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- La source: https://physicsworld.com/a/mauro-paternostro-a-vision-of-the-quantum-landscape/
