4 applications concrètes pour comprendre le quantique

Médecine, énergie, industrie, cybersécurité : nous avons passé en revue quelques-uns des champs d’application majeurs que le calcul quantique pourrait révolutionner demain. Les premiers essais autour de ces cas d’usages spécifiques sont prévus dès 2023.

Une puissance de calcul inouïe capable de s’attaquer à des problèmes hors de portée pour l’informatique actuelle. Telle est la promesse portée par les technologies quantiques, qui font depuis de nombreuses années l’objet d’investissements et d’efforts de recherche importants. Efforts qui commencent à payer : ces derniers temps, la course s’est accélérée et les annonces se sont multipliées. Arrivée des premiers services de calcul quantique en ligne en 2019, lancement d’un plan quantique français doté de 1,8 milliard d’euros en 2021, plan quantique européen annoncé le 22 février qui prévoit une nouvelle plateforme de calcul quantique hybride pour 2023 (170 millions d’euros)...

Plus qu’une progression de la puissance de calcul, c’est un « changement de paradigme de programmation » qui attend les industriels au tournant, souligne Sophie Proust, CTO du groupe Atos. « Si les ordinateurs quantiques sont encore au stade de la recherche, on se penche déjà sur les futures applications de ces technologies grâce à des simulateurs quantiques tels que l’Atos QLM (Quantum Learning Machine) », poursuit Sophie Proust. Les premiers processeurs NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum), des accélérateurs quantiques de première génération reposant sur un principe de calcul hybride (mêlant calcul haute performance et calcul quantique), pourraient arriver dès 2023 et avec eux, les premiers essais autour de cas d’usage spécifiques, notamment en médecine, dans l’énergie, l’industrie et du côté de la cybersécurité. 

1 / Médecine

« Modéliser des réactions chimiques à l’échelle moléculaire, prédire les interactions entre les protéines et les médicaments… L’informatique quantique promet d’ouvrir le champ des possibles en matière de nouveaux traitements et vaccins, pour faciliter voire accélérer leur élaboration ou leur production. », explique Sophie Proust. Par exemple, la startup Qubit Pharmaceuticals a découvert grâce à des simulations de calcul quantique de nouvelles molécules qui pourraient être utiles à un traitement contre le Covid-19. « C’est prometteur parce qu’on a besoin pour cela de peu de qbits », commente Sophie Proust en évoquant le potentiel important des applications NISQ et du calcul quantique hybride. 

De quoi attiser l’intérêt des laboratoires pharmaceutiques : Biogen s’est lié à la société de logiciels quantique 1QBit, Merck à la startup HQS Quantum Simulations, Bayer à Atos… Formé en 2018, ce dernier partenariat vise à étudier l’évolution des maladies chez l’être humain en se basant sur des données anonymes de patients en soins intensifs afin d’identifier des corrélations entre les comorbidités et les schémas d’évolution des pathologies. Les perspectives, notamment en matière de médecine personnalisée, sont prometteuses : « Pourquoi ne serait-on pas capable, dans 20 ans, quand on aura une meilleure compréhension des allergies et de l’ADN, de fabriquer une molécule adéquate répondant à un problème ? », projette Sophie Proust.   

2 / Énergie

« Les technologies quantiques auront aussi une carte à jouer dans l’optimisation des réseaux intelligents, ou smart grids », ajoute Sophie Proust. Comment orienter l’électricité produite de manière efficace en fonction de la demande et des capacités de production ? Comment optimiser la charge des batteries de véhicules électriques, en intégrant éventuellement ces derniers dans les smart grids pour utiliser leur énergie quand elles ne sont pas utilisées par leur propriétaire ? « Il s’agit de problèmes multi-dimensionnels qui s’appliquent très bien au calcul quantique », décrit Sophie Proust en évoquant par analogie le problème du voyageur de commerce, qui consiste à déterminer le meilleur chemin possible pour aller d’un point A à un point B, C, D… 

« Avec le calcul haute performance, on arrive déjà à résoudre ces problèmes-là mais avec le calcul quantique, on arrivera à décupler la puissance de calcul et à apporter des solutions beaucoup plus rapides. »  A titre d'exemple : pour optimiser la gestion des recharges des véhicules électriques, EDF travaille sur des algorithmes de modélisation de l’ensemble des stations et de l’énergie disponible. Or, même les supercalculateurs ne peuvent totalement résoudre la complexité mathématique de cette répartition entre offre et demande, de façon extrêmement réactive. Les algorithmes de calcul quantique promettent d'optimiser la gestion de la recharge efficacement.

3 / Industrie

« Ceci vaut également pour les problématiques de flux logistiques et de chaînes d’assemblage qui occupent les industriels, poursuit Sophie Proust. Certains constructeurs automobiles misent sur les technologies quantiques pour améliorer leurs procédés », à l’instar de BMW qui souhaite ainsi réaliser le plus grand nombre de tests possible avec un minimum de ressources, ou encore améliorer le placement des capteurs de détection des obstacles sur les véhicules en prenant en compte différents scénarios de conduite.

« Quand on a plusieurs chaînes d’assemblage et que l’on souhaite tester les différentes pièces, cela donne une combinatoire très importante et très complexe à gérer, explique Sophie Proust. Aujourd’hui, on récupère un nombre croissant de données, notamment via les jumeaux numériques qui vont alimenter les calculs, mais la question est de savoir comment les traiter de manière efficace. » Dans la révolution industrielle 4.0, le calcul quantique pourrait être tout bonnement indispensable pour opérer les usines. En plus d'optimiser les simulations, les apprentissages des machines, le quantique aide à réduire les délais de réalisation et améliore la qualité des différents processus de recherche et de développement dans les usines.

4 / Cybersécurité

La progression des technologies quantiques n’est pas sans alimenter certaines craintes, en particulier dans le domaine de la cybersécurité où l’algorithme de Shor, mis au point dès 1994, serait théoriquement capable de factoriser les nombres premiers et ainsi de « casser » les clés de cryptographie classique. « Ce qui est inquiétant, c’est que toute la sécurité d’Internet repose sur ces mécanismes de cryptage, rappelle Sophie Proust. D’où l’urgence de prendre un coup d’avance et de développer des algorithmes « post-quantiques » capables de résister à cette future menace. »

« Le quantique pourrait également voir émerger de nouveaux protocoles de communication sécurisée, à travers la distribution quantique de clé pour les applications de haute sécurité. Celle-ci reposerait alors non pas sur des principes mathématiques comme c’est le cas pour la cryptographie usuelle, mais sur des principes physiques tels que l’intrication (lorsque deux particules quantiques sont couplées de telle manière qu'elles deviennent fondamentalement connectées, quelle que soit la distance physique qui les sépare). », explique Sophie Proust. Les premiers jalons d’un « Internet quantique » (a priori) inviolable, qui ouvrirait la voie non seulement à des communications cryptées, mais également à la téléportation (dématérialiser l’état quantique d’une particule, puis le rematérialiser sur un autre support) !

Vers de nouveaux usages ?

Si elles concernent avant tout le monde de la recherche, des entreprises et de l’industrie, ces applications devraient avoir des effets visibles sur la société dans son ensemble. Demain, les technologies quantiques pourraient améliorer nos systèmes de navigation MaaS (mobility as a service) ou les prévisions météorologiques, suggère Sophie Proust, qui ajoute : « L’essor du quantique est lié aux applications : plus il y en aura, mieux les gens comprendront à quoi cela pourra servir. » C’est d’ailleurs précisément la mission que s’est donné le projet européen NEASCQ (NExt ApplicationS of Quantum Computing) pour préparer l’entrée des entreprises européennes dans l’ère quantique en étudiant des cas d’usages aussi variés que la capture du CO2 et la détection du cancer du sein.

Car dans cette course aujourd’hui dominée par les Etats-Unis et la Chine, le nerf de la guerre reste le financement. « Le principal frein au développement du quantique est l’investissement que les sociétés souhaitent faire, si elles y croient ou pas », poursuit-elle, convaincue que dès les premiers essais à l’horizon 2023-2024 avec les processeurs NISQ, le quantique pourrait faire « boule de neige ».