Bâtir une sorte de « French Tech » du quantique aux côtés des organismes de recherche. Telle est l'ambition du plan quantique, nourri par le président Emmanuel Macron, pour ne pas rester en retrait de la prochaine révolution informatique à venir. Car la France aurait encore des cartes à jouer afin de participer au futur « avènement » de la technologie quantique, encore en cours de développement et om plusieurs voies s'affrontent encore en vue de bâtir le futur ordinateur quantique de demain : atomes froids, supraconducteurs, photons et silicium. Et à Grenoble, la filière existante est bien décidée à exposer ses forces, tout en misant sur une technologique qu'elle conçoit comme un avantage concurrentiel : le silicium.

Il faut néanmoins remonter à 2017 pour comprendre l'un des premiers atouts en présence : car à cette date, démarrait un programme de recherche multi-établissements, Quantum Engineering Grenoble, qui visait déjà à fédérer les forces de l'écosystème grenoblois, via l'attribution de bourses de thèse et l'installation de Chaires d'Excellence sur des projets interdisciplinaires, soutenues par l'Idex Université Grenoble Alpes et des fonds européens. En plus de l'Université Grenoble Alpes (UGA), reconnue pour ses instituts de recherche fondamentale en physique de la matière condensée, nanosciences, informatique et mathématiques, ce projet a réuni également le CNRS, l'Inria, et le CEA sur les propriétés quantiques de la matière à l'état solide.

« Cela faisait plus d'une quinzaine d'années que se développait, à Grenoble, la filière, et qui a pu s'accélérer en 2016 avec la création d'un programme interdisciplinaire sur l'ingénierie quantique », souligne Hervé Courtois, vice-président de la recherche et innovation à l'Université Grenoble Alpes (UGA).

Des prémisses d'un programme quantique dès 2016

À travers ce programme de recherche, qui se voulait unique en son genre à l'échelle mondiale, des physiciens, informaticiens, technologues, mais également des spécialistes sciences humaines comme des philosophes ont été amenés à réfléchir ensemble sur la compréhension et les fondements du processus quantique.

Et ce, jusqu'à l'an dernier, sur un projet de quatre ans, qui aura mobilisé au total une centaine de personnes issus de différentes unités de recherche et près de 30 millions d'euros d'investissements (à travers des fonds nationaux et européens).

« Ce programme avait principalement deux objectifs : développer de nouvelles démonstrations des prototypes de capteurs quantique ou de bit quantique, et structurer la communauté afin d'être capables de gagner en visibilité au niveau national afin de pouvoir présenter de futurs projets européens ensemble », expose Hervé Courtois. Selon lui, cet aspect serait déjà une réussite puisqu'une quinzaine de thèses ont été financées grâce à ce projet sur des fonds européens au cours des dernières années.

Au total, près de 25 à 30 doctorants auront planché sur ces questions, ayant donné lieu à des travaux interdisciplinaires, en partenariat avec des industriels tels que STMicroelectronics, Probayes, IBM, etc. Prochaine étape ?  « Grâce à cette expérience pilote, on a montré que de telles collaborations interdisciplinaires pouvaient fonctionner entre des informaticiens, des physiciens, des philosophes. Nous allons pouvoir l'amplifier », ajoute Alexia Auffeves, directrice de Recherche CNRS et coordinatrice de Quantum Engineering Grenoble.

L'écosystème local, qui regroupe au total près de 200 chercheurs spécialisés sur ces enjeux, attend beaucoup du plan quantique annoncé par le gouvernement pour faire passer ces travaux à un autre stade.

« Les partenaires parlent actuellement de créer une fédération de recherche sur le bassin grenoblois qui permettrait, comme un laboratoire virtuel, de pérenniser une entité et son financement. Mais cela est encore en discussions, également du côté de son financement », confie Alexia Auffeves.

« L'une des seules voies pour passer à l'échelle »

Car derrière, se trouve un enjeu de taille : parvenir à faire émerger la filière du « quantum silicium » que défendent les acteurs du bassin grenoblois, qui s'appuient ainsi que leur expertise née de la microélectronique, auxquels ils entrevoient désormais de nouveaux débouchés.

« Ce projet a permis de développer de nouveaux types de bit quantiques, qui repose sur un atome unique au sein d'une matrice silicium. C'est l'une des originalités de l'écosystème que de construire des bit quantiques, qui sont de petits morceaux de processeurs, avec une technologie de la microélectronique, avec toutes les possibilités d'intégration que l'on connaît ensuite au sein de nos ordinateurs », ajoute Hervé Courtois. C'est donc en s'appuyant sur les technologies de silicium disponibles que les chercheurs ont continué de plancher sur l'adaptation et l'intégration de ces nouveaux types de Qbits dans le milieu quantique.

Le CEA Leti, connu pour son expertise dans le domaine de la microélectronique, avait fait ce pari depuis quelques années déjà :

« Les qubits de spin sur silicium constituent aujourd'hui l'une des seules solutions qui pourrait passer à l'échelle et offrir la possibilité de  fabriquer et disposer de millions de qubits à terme. Ce qui semble aujourd'hui impossible à concevoir avec les autres technologies envisageables », estime Jean-René Lequepeys, directeur des programmes du CEA-Leti et directeur adjoint.

Ce type d'ordinateur pourrait ainsi « révolutionner des branches industrielles comme la chimie des molécules, la pharmacologie, ou encore l'énergie, les transports et les communications ». Car en permettant d'aller beaucoup plus vite, « le quantique constitue une vraie rupture technologique et un enjeu majeur de souveraineté que tous les industriels et états veulent maîtriser », affirme Jean-René Lequepeys.

Or ce dernier rappelle que la filière des supraconducteurs, utilisée aujourd'hui pour faire tourner les prototypes construits par les géants IBM ou Google, aura plus de mal à passer à l'échelle, ce qui ne serait pas le cas des puces issues des technologies silicium :

« l'industrie de la microélectronique sait déjà mettre des dizaines de milliards de transistor sur une seule puce, il s'agit d'un atout indéniable dans le domaine du quantique », estime le CEA de Grenoble.

D'ailleurs, la production en phase de tests a déjà commencé dans les laboratoires grenoblois : « Nous envisageons de réaliser 6 qubits en 2021 puis une centaine d'ici 2024, avec l'objectif d'arriver à fabriquer un processeur quantique d'ici 2030 ».

Avec, en parallèle, la constitution d'un dossier pour aller chercher des financements nationaux, dans le plan quantique annoncé par Emmanuel Macron et un projet déposé dans le programme prioritaire de recherche (PEPR) -où 130 millions ont été annoncés- avec des équipes du CNRS, de Louis Néel, et de la Direction de la Recherche Fondamentale du CEA, via son institut IRIG.

Un plan quantique pour développer le premier étage de la fusée

Pour cela, l'écosystème devra compter sur l'ensemble de ses forces : « la filière silicium fait appel à des compétences pluridisciplinaires, qu'il s'agisse de physique, de microélectronique, packaging des composants, d'électronique cryogénique pour les circuits de lecture... Tous les composants vont être testés et utilisés à très basse température, un avantage pour les qubits de spin sur Silicium comparé à d'autres technologies quantiques, puisqu'un degré kelvin seulement est nécessaire », reprend Jean-René Lequepeys.

Le CEA a d'ailleurs officialisé une première mondiale en publiant (à la conférence majeure ISSCC en 2020), les résultats sa première puce électronique de commande capable de fonctionner à température cryogénique, un incontournable avant de pouvoir envisager le passage à l'échelle. Du côté de celle-ci, l'organisme de recherche pourra d'ailleurs s'appuyer sur la création d'une alliance de 19 partenaires européens déjà engagés dans la course du « quantum silicium », au sein du projet H2020 QLSI.

 « Il existe aujourd'hui plusieurs pistes, dont les supraconducteurs et les semiconducteurs, et l'on ne sait pas lesquelles vous connaître un succès applicatif, c'est pourquoi il faut poursuivre les recherches : la bonne réponse sera peut-être un mélange des deux, il y a encore de la place pour des options à investiguer», glisse Hervé Courtois.

« L'un des grands défis sera ensuite de retenir la technologie qui passera à l'échelle », reconnait Jean-René Lequepeys.

Et sur ce point, le plan quantique arrivait à point nommé : car en partant de la recherche fondamentale, ce plan explore un certain nombre de voies qui permettront ensuite de sélectionner celles qui sont les plus prometteuses en vue de lancer des programmes de maturation technologique.

« Nous espérons aujourd'hui que ce plan quantique permettra de développer tous les étages de la fusée et d'apporter du carburant en euros qui permettra de développer ces nouvelles technologies », traduit le directeur des programmes du CEA-Leti.

Avec dans le viseur déjà, le prochain programme LSQ (Grand Défi sur le Large Scale Quantum), qui doit intervenir d'ici 2023. « Mais avant il faudra avoir réduit le risque de cette technologie et lui conférer un certain niveau de maturité », admet-t-il. Le CEA étudie également, pour ce faire, un passage par la création d'une startup technologique qui pourrait également faire appel à différentes sources de financement, comme du capital risque, pour accélérer ces développements.

Grenoble, future place européenne du plan quantique ?

Si les financements de ce plan n'ont pas encore été balisés, Grenoble aura néanmoins une place de choix à faire valoir sur la scène nationale : « Grenoble est tout à fait visible sur la carte du monde la physique quantique et fait partie des trois plus grands sites français aux côtés de Paris Centre et Paris Saclay. Aucun de ses sites ne bénéficie néanmoins du couplage avec la microélectronique comme le nôtre », souligne Hervé Courtois.

Ce dernier espère notamment que la mission, qui a été confiée au CEA, CNRs et INRIA, clarifie les modalités d'accès à ces nouveaux financements et puissent notamment ouvrir la voie à des appels à projets locaux.

« On sait que l'enveloppe annoncée comprend par exemple 150 millions attribués aux équipements prioritaires de recherche ou des délégations devraient être mises en place pour financer des projets définis. Il existera ensuite au-delà des lignes de financements pour les doctorants et post doctorants, pour les filières pilotes, etc », illustre Hervé Courtois.

«Si nous sommes bien entendu attendus sur le volet du quantum silicium, il existe également des aspects plus originaux comme l'interface entre les sciences physiques et humaines, que l'on retrouve dans peu d'endroits à l'échelle mondiale », complète Alexia Auffeves.

Elle cite en un exemple de travaux réalisés autour de l'aspect acceptation citoyenne de cette filière émergeante, mais aussi des aspects énergétiques des calculs, concernant la thermodynamique quantique dans un contexte de ressources énergétiques limitées...

« Lorsqu'on regarde les différentes cartographies et notamment le nombre de financements européens dans le quantique ainsi que les écosystèmes de chercheurs impliqués, bien que trois pôles de recherche se détache clairement dont Grenoble, avec l'aspect interdisciplinaire de son tissu », ajoute Alexia Auffeves.

Car face à la concurrence des Gafa, Jean-René Lequepeys en est aussi lui convaincu :

« Ce qui peut faire la différence, ce n'est pas seulement le montant de l'enveloppe accordé, mais également très souvent les expertises cumulées depuis longtemps par des équipes pluridisciplinaires de chercheurs qui permet de lever des verrous dans le monde de la physique ».