La lutte contre le changement climatique impliquera une véritable fusion des compétences humaines : l’innovation conceptuelle du « zéro émission nette », l’ingéniosité technique des industries décarbonées, la formidable entreprise de construction de villes intelligentes. Partout dans le monde, les efforts et les esprits doivent converger comme jamais auparavant afin de prévenir les impacts catastrophiques de notre planète en surchauffe.

Dans quelle mesure nos défis pourraient-ils être plus faciles, et nos objectifs plus réalistes, si nos efforts étaient embellis par un nouvel allié, sous la forme de l’« informatique quantique » ?

Nous sommes sur le point de découvrir la réponse.

Vous avez probablement déjà rencontré le terme d’informatique quantique, en passant, peut-être sans y faire très attention. À moins que vous ne travailliez dans ce domaine, cela n’a probablement eu que peu de conséquences sur votre vie quotidienne. Mais si tout se passe comme prévu, cela pourrait être sur le point de changer.

L’informatique quantique est une technologie multidisciplinaire qui fusionne les mathématiques, la physique et l’informatique de pointe pour concevoir des processeurs d’une puissance et d’une vitesse sans précédent.

Cette technologie exploite les effets mécaniques dits quantiques tels que la superposition et l’intrication (des comportements physiques propres aux particules au niveau subatomique) pour résoudre des problèmes considérablement plus rapidement que les ordinateurs conventionnels, alimentés par (micro)transistor.

C’est cette vitesse qui est la clé du potentiel quantique. On estime que la technologie quantique est 158 millions de fois plus rapide que le superordinateur le plus puissant et capable de faire en 200 secondes ce qu’un superordinateur moderne ferait en plus de 10 000 ans.[1]

Un calcul de 10 000 ans solutionné en quelques secondes

Comment cela fonctionne-t-il ? L’informatique traditionnelle repose sur des transistors binaires représentant 1 ou 0 (oui ou non ; activé ou désactivé) pour une requête donnée. En revanche, l’informatique quantique s’appuie sur la puissance des bits quantiques, ou « qubits », qui peuvent représenter à la fois 1 et 0, une superposition d’états.

Cette multiplicité d’états permet par exemple à un ordinateur quantique de seulement 30 qubits d’effectuer 10 milliards d’opérations en virgule flottante par seconde.[2] Pensez aux progrès potentiels dans des domaines de recherche complexes et coûteux tels que la modélisation aérodynamique, le développement de médicaments, l’optimisation de chaînes d’approvisionnement, la thérapie génique, etc.

Les processeurs quantiques peuvent émettre des hypothèses sur une particule en mesurant une particule apparentée au sein d’un système étroitement lié : une caractéristique connue sous le nom d’intrication. Par exemple, la rotation d’un qubit dans le sens horaire doit être associée à la rotation d’un qubit dans le sens antihoraire correspondant. Mesurer l’état quantique d’un qubit entraîne l’effondrement de sa fonction ondulatoire, corrélant son état à d’autres qubits quelle que soit la distance, et permettant de résoudre des calculs très compliqués presque instantanément. De cette façon, la puissance de l’informatique quantique augmente de manière exponentielle en fonction du nombre de qubits.

Le terme « informatique quantique » lui-même est un peu trompeur, renvoyant l’image de vieux ordinateurs de bureau, ronronnant et au clavier poussiéreux. La réalité est que l’informatique quantique et conventionnelle sont deux mondes parallèles ayant quelques similitudes, mais de nombreuses différences. Les trois différences les plus importantes sont les suivantes :

  • Le langage de programmation: L’informatique quantique ne possède pas son propre code de programmation et nécessite le développement et la mise en œuvre d’algorithmes très spécifiques.
  • Les fonctionnalités: Les ordinateurs quantiques ne sont pas destinés à une utilisation quotidienne généralisée, contrairement aux ordinateurs personnels (PC) d’aujourd’hui. Ils sont si complexes qu’ils ne peuvent être utilisés que dans les domaines scientifiques et technologiques, ou au sein de grandes entreprises.
  • Architecture: Les ordinateurs quantiques ont une architecture plus simple que les ordinateurs conventionnels : ils n’ont ni mémoire ni processeur. L’équipement qui les fait fonctionner est constitué uniquement d’un ensemble de qubits.

À mesure que l’informatique quantique évolue, elle permettra des applications révolutionnaires dans trois grands domaines : l’optimisation, l’apprentissage automatique et la simulation de systèmes chimiques physiques ou moléculaires, le tout avec des résultats bien au-delà de la capacité même des superordinateurs les plus rapides et les plus puissants d’aujourd’hui.[3]

  • Optimisation : les améliorations au sein des industries sont généralement difficiles à prévoir et coûteuses à tester, mais l’informatique quantique peut jongler avec plusieurs variables afin de mettre au point des gains d’efficacité inattendus. On parle de réduction des coûts de matériel, de rationalisation de la logistique, d’amélioration des performances des produits et, au final, d’une augmentation du retour sur investissement. L’informatique quantique peut transformer le bon travail en très bon travail, avec un minimum d’efforts et de risques.
  • Simulation : les ordinateurs traditionnels ne peuvent pas, avec efficacité ou précision, calculer la qualité de l’interaction entre deux propriétés complexes. En effectuant des simulations et des itérations quasi illimitées, l’informatique quantique automatise un processus auparavant manuel et chronophage. La mise en lumière des interactions entre les molécules permettra d’inaugurer une nouvelle génération de médicaments, de matériaux et de produits chimiques.
  • Apprentissage automatique : l’apprentissage automatique amélioré grâce à la technologie quantique (algorithmes analysant des données classiques sur un ordinateur quantique) apportera une valeur supplémentaire aux entreprises et aux secteurs déjà familiers de l’apprentissage automatique conventionnel. De nouveaux outils quantiques offriront une vitesse de calcul et une capacité de stockage des données considérablement supérieures.

Alors, compte tenu de ces énormes avantages, où sont tous nos ordinateurs quantiques, et pourquoi n’avons-nous pas déjà mis à la retraite leurs ancêtres à puce ? Après tout, de nouvelles percées de l’informatique quantique sont annoncées presque chaque semaine ; le secteur agit comme un aimant pour nos cerveaux les plus jeunes et les plus brillants ; et des start-up quantiques sont financées avec enthousiasme dans le monde entier. Alors, pourquoi ce retard ?

Malgré l’enthousiasme et l’optimisme généralisés, cette technologie est encore en développement. La génération actuelle d’appareils NISQ (de l’anglais « Noisy Intermediate Scale Quantum », que l’on pourrait traduire par calcul quantique à échelle intermédiaire bruitée) est sujette à des erreurs de qualité et de stabilité des qubits, un état connu sous le nom d’incohérence, qui limite leurs performances.

Cependant, étant donné le perfectionnement constant de la technologie, une véritable révolution quantique pourrait se produire plus tôt que nous ne le pensons. Les tendances actuelles indiquent que la première génération d’ordinateurs quantiques à tolérance aux pannes (avec des taux d’erreur logique à des niveaux arbitrairement bas) pourrait arriver sur le marché d’ici la fin des années 2020. C’est alors que la portée de son utilité potentielle dans la lutte contre le changement climatique se fera plus évidente.

Dynamiser l’industrie, capter le carbone

Atteindre les objectifs de zéro émission nette commence à sembler presque impossible en utilisant la technologie d’aujourd’hui. Malheureusement, même s’ils étaient entièrement respectés, les engagements pris lors de la Conférence des Nations unies sur le changement climatique 2021 (COP26) se traduiront encore par une hausse de la température mondiale de 1,7 °C à 1,8 °C d’ici 2050, dépassant de loin la limite de 1,5 °C considérée comme nécessaire pour éviter les pires impacts du changement climatique.[4]

L’énorme potentiel de l’informatique quantique, en revanche, pourrait bouleverser ces prévisions floues. Selon certaines estimations, l’informatique quantique pourrait stimuler le développement de technologies capables de réduire la production de carbone de plus de 7 gigatonnes par an d’ici 2035, faisant soudainement de la limite de 1,5 °C un objectif à nouveau viable.

L’informatique quantique pourrait apporter une contribution significative, soit en stimulant la prolifération des technologies ayant le plus besoin d’une intensification, soit en rendant plus écologiques les secteurs à forte intensité d’émissions, autrefois considérés comme imperméables aux interventions. Que pouvons-nous attendre plus précisément des années à venir à mesure que la vision de l’informatique quantique se développe ?

Électrification : des batteries de grande capacité et de grande durabilité sont essentielles au stockage à grande échelle des différentes sources d’énergie telles que l’éolien et le solaire. Cependant, les taux d’amélioration en matière de densité énergétique des batteries ont fortement ralenti, passant d’une amélioration de la densité de 50 % entre 2011 et 2016 à une augmentation estimée de 17 % entre 2020 et 2025. L’informatique quantique, en rendant possible une analyse plus détaillée de la formation de complexes électrolytiques, pourrait proposer un matériau de remplacement des cathodes/anodes et éradiquer le besoin de séparateurs de batteries.

Selon une étude, la réduction par deux du coût de stockage à grande échelle pourrait augmenter l’utilisation de l’énergie solaire de 60 % en Europe d’ici 2050.[5] Pendant ce temps, une augmentation de 50 % de la densité énergétique des batteries accélérera l’analyse de rentabilité de leur adoption généralisée dans les poids lourds.

Agriculture : des additifs alimentaires à faible teneur en méthane pourraient réduire de 90 % les 7,9 gigatonnes de CO2 émises annuellement par le bétail. L’informatique quantique pourrait aider au développement d’un vaccin anti-méthane, qui aide les anticorps à se fixer aux microbes appropriés dans l’environnement hostile d’un intestin bovin.

Captage du carbone : l’extraction et la capture du carbone de l’air fonctionnent en principe, mais leur coût est prohibitif pour le moment. L’informatique quantique est prête à réduire considérablement les coûts des technologies de « prélèvement de source ponctuelle » et de « prélèvement direct de l’air ».

Selon la méthode de source ponctuelle, le CO2 est capté directement aux sources de pollution intense telles que les fours industriels. L’informatique quantique modélisera des structures moléculaires optimales pour les solvants multiphases intégrés au processus, augmentant l’efficacité de captage sur une gamme de sources de CO2 et réduisant les coûts jusqu’à la moitié.

Avec la méthode directe de l’air, le CO2 est capté directement dans l’atmosphère grâce à un système à la fois obstinément coûteux et énergivore. L’informatique quantique aidera à concevoir de nouveaux absorbants tels que des structures organiques métalliques (MOF), capables de traiter le CO2 beaucoup plus efficacement que la technologie comparable d’aujourd’hui.

Énergie et carburant : les cellules solaires en silicium cristallin actuelles fonctionnent à environ 20 % d’efficacité. L’informatique quantique contredit la promesse de cellules solaires efficaces à 40 %, basées sur des structures cristallines de pérovskite. La pérovskite manque de durabilité et est toxique dans certaines combinaisons. Les ordinateurs quantiques, en simulant des structures de pérovskite à plusieurs permutations à l’aide de différents atomes de base, concevront des solutions durables et non toxiques, réduisant potentiellement de moitié le coût de l’énergie solaire.

L’ammoniac, coûteux et énergivore à produire, ne représente actuellement que 2 % de la consommation d’énergie mondiale. La bioélectrocatalyse de la nitrogénase offre un aperçu alléchant de la manière dont l’ammoniac pourrait être produit proprement, à une fraction de son prix actuel. Le processus reproduit artificiellement la « fixation azotée », par laquelle les plantes absorbent l’azote directement de l’air et le convertissent en ammoniac. La nitrogénase fonctionne à température ambiante et à une pression de 1 bar, éclipsant l’efficacité de la méthode Haber-Bosch à 500 °C actuelle. Cette technologie n’est pas encore prête à s’intensifier, mais l’informatique quantique devrait résoudre rapidement les problèmes liés à la stabilité enzymatique et aux faibles taux de sortie. En plus de réduire la charge en CO2 de l’industrie des engrais, la réduction estimée de 67 % des coûts pourrait accélérer d’une décennie l’adoption généralisée de l’ammoniac comme carburant d’expédition.[6]

Son coût élevé a également été pour l’hydrogène vert un facteur d’inhibition, mais affiner le processus d’électrolyse pourrait enfin l’aider à atteindre la parité commerciale avec le gaz naturel. La génération actuelle d’électrolyseurs à membrane électrolytique polymère (PEM) pour le craquage de l’eau souffre d’inefficacité et d’un manque de durabilité en raison d’une mauvaise interface entre les membranes et les catalyseurs. L’informatique quantique peut simuler différents états d’énergie pour en augmenter l’efficacité, tout en identifiant des catalyseurs et des membranes plus compatibles chimiquement. Un groupe de chercheurs a pu analyser des centaines de quadrillions de conceptions de matériaux grâce à une technique appelée expansion de cluster. Les résultats ont conduit l’équipe à un ensemble inexploré de matériaux comprenant de l’antimoine, du manganèse, de l’oxygène, du ruthénium et du chrome, dont la synthèse présentait une activité de catalysation huit fois supérieure à celle actuellement sur le marché.[7] Un taux d’efficacité de 100 % pour la production d’hydrogène vert pourrait réduire les coûts de production d’un tiers.

Industrie : aussi vitale que soit la lutte contre le réchauffement climatique, la construction ne peut pas s’arrêter du jour au lendemain. Le monde consomme plus de 4 milliards de tonnes de ciment par an, un agent de liaison crucial pour le béton utilisé pour fabriquer nos maisons, nos usines, nos routes et nos hôpitaux.

Malheureusement, la production de ciment génère environ 2,5 milliards de tonnes de CO2 par an, soit environ 8 % du total mondial. Il n’existe actuellement aucune alternative abordable au ciment. L’informatique quantique peut annuler les dépenses coûteuses d’études, en simulant différentes combinaisons de matériaux afin de concevoir un produit de substitution durable et non polluant. Certaines estimations suggèrent que cela pourrait réduire les émissions jusqu’à 1 gigatonne par an d’ici 2035.

Même en connaissance de toutes ces prévisions, les avancées les plus importantes de l’informatique quantique pourraient bien nous surprendre tous. Les technologies qu’elle pourrait rendre possibles n’existent peut-être tout simplement pas encore sur notre radar conceptuel. Si la mécanique quantique est capable de fonctionner à l’échelle de l’infiniment petit, ses impacts, en revanche, seront mondiaux.

Comment l’informatique quantique peut-elle être une force au service du bien ?

Tout comme l’intelligence artificielle, si elle est utilisée judicieusement, l’informatique quantique est susceptible de favoriser des résultats positifs pour plusieurs des Objectifs de développement durable de l’ONU. Des initiatives telles que la lutte contre la faim, la bonne santé et le bien-être, l’énergie propre abordable, l’industrie, l’innovation et l’infrastructure, ainsi que des villes et des communautés durables sont toutes prêtes à bénéficier de la technologie quantique.

Ce sont des objectifs dignes d’intérêt, qui nous obligent à trouver des solutions intelligentes à certains des obstacles auxquels l’informatique quantique se confronte actuellement.

Par exemple, la plupart des ordinateurs quantiques fonctionnent actuellement dans des réfrigérateurs cryogéniques à -273 °C et, en raison de ces exigences extrêmes de refroidissement, consomment encore plus d’énergie que les ordinateurs standard.[8] Les ordinateurs quantiques en préparation pourraient contourner le besoin de refroidissement du qubit. Le système informatique quantique d’ORCA Computing utilise, par exemple, des photons uniques en guise de qubits à température ambiante, sans refroidissement cryogénique. L’informatique quantique par ions piégés peut également fonctionner à des températures moins extrêmes, ce qui lui permet de traiter de l’information en utilisant un minimum d’énergie et en ne générant presque aucune chaleur.[9] Une étude suggère que les ordinateurs quantiques pourraient finir par réduire la consommation d’énergie de plus de 20 ordres de grandeur par rapport aux superordinateurs conventionnels.[10]

D’autres doutes subsistent. L’informatique quantique va-t-elle aggraver la répartition des richesses entre les pays riches et les pays pauvres ? Cela protégera-t-il indûment les entreprises en place en rendant l’entrée dans le secteur inabordable pour les nouveaux arrivants ? Qu’en est-il des impacts de l’informatique quantique sur un marché du travail qui se relève encore du triple combo que sont la récession mondiale, la Covid-19 et de l’IA ? Et les normes de cryptage modernes seront-elles rendues inutiles par la puissance de calcul impressionnante de la technologie quantique, renvoyant les exigences en matière de données et de confidentialité aux oubliettes ?

Les gouvernements doivent jouer leur rôle afin de s’assurer que l’informatique quantique bénéficie à tous, et pas seulement à des privilégiés. Ils doivent aider à développer et à financer des programmes de recherche dans l’enseignement supérieur, en ciblant particulièrement les zones financièrement risquées (telles que le captage du carbone) et les projets humanitaires (tels que la prédiction des catastrophes) qui manquent actuellement de soutien. Des modèles de partenariat existent déjà ; voir les collaborations actuelles entre IBM et le gouvernement du Royaume-Uni[11], le partenariat public-privé des Pays-Bas Quantum Delta, ou l’entreprise commune de science et de technologie quantique lancée par les États-Unis et le Royaume-Uni en 2021[12].

Je crois que nous sommes actuellement au pied de notre ascension de l’informatique quantique, mais nous pouvons déjà contempler le chemin et apercevoir les sommets qui nous attendent. Nous devons maintenir un dialogue ouvert entre les secteurs privés et publics, afin de nous assurer que l’itinéraire que nous choisissons jusqu’à ces sommets reste accessible à tous et que la destination apportera une récompense mutuelle. La technologie quantique promet des changements profonds dans toute la société, de la finance à la sécurité nationale, en passant par les télécommunications et l’ingénierie. Lorsque nous aurons atteint un « avantage quantique », c’est-à-dire une supériorité en termes de performances par rapport aux ordinateurs conventionnels, l’informatique quantique pourrait peut-être même permettre d’enrayer, voire d’inverser la menace existentielle la plus grave qui soit, à savoir le changement climatique.

Optimisation, simulation et apprentissage automatique amélioré grâce à l’informatique quantique. Trois concepts simples débloqués par la puissance révolutionnaire de l’informatique quantique. Ils ne sauveront peut-être pas le monde, mais ils le changeront sans aucun doute pour toujours.

 

[1] https://www.mckinsey.com/featured-insights/mckinsey-explainers/what-is-quantum-computing

[2] https://www.iberdrola.com/innovation/what-is-quantum-computing

[3] https://prod.ucwe.capgemini.com/wp-content/uploads/2022/10/Quantum-Technologies__Sustainability_20-09-2022_final.pdf

[4] https://www.mckinsey.com/capabilities/mckinsey-digital/our-insights/quantum-computing-just-might-save-the-planet

[5] https://www.mckinsey.com/capabilities/mckinsey-digital/our-insights/quantum-computing-just-might-save-the-planet

[6] https://www.mckinsey.com/capabilities/mckinsey-digital/our-insights/quantum-computing-just-might-save-the-planet

[7] https://www.powerengineeringint.com/hydrogen/quantum-computing-techniques-reveal-improved-catalyst-for-green-hydrogen/

[8] https://projectqsydney.com/could-quantum-computing-help-curb-ais-carbon-footprint/

[9] https://www.techuk.org/resource/could-quantum-computing-hold-the-key-to-sustainability.html

[10] https://www.ornl.gov/news/energy-quantum-computing-efficiency

[11] https://newsroom.ibm.com/2021-06-03-UK-STFC-Hartree-Centre-and-IBM-Begin-Five-Year,-210-Million-Partnership-to-Accelerate-Discovery-and-Innovation-with-AI-and-Quantum-Computing

[12] https://www.whitehouse.gov/ostp/news-updates/2021/11/04/the-united-states-and-united-kingdom-issue-joint-statement-to-enhance-cooperation-on-quantum-information-science-and-technology/