Nicolas Gisin
Nicolas Gisin
Professeur à l’Université privée Schaffhausen Institute of Technology
Professeur honoraire au département de physique appliquée de l’université de Genève.
Responsable de la première expérience de téléportation quantique en laboratoire en 1997.
Professeur honoraire à l’Université de Genève, Nicolas Gisin est un physicien suisse reconnu pour son expertise en physique quantique. En 2006, il a notamment réalisé une expérimentation de téléportation quantique qui a bousculé le domaine de la cryptographie. Lors de cet entretien, il revient sur la fascination qu’a exercée sur lui cette discipline dès le début de ses années universitaires.
En mars 2021 il a rejoint en tant que professeur l’Université privée Schaffhausen Institute of Technology.
Entretien avec Nicolas Gisin
Propos recueillis par Thu Trinh-Bouvier le 21 juin 2021
“En physique quantique, c’est par la force brut de l'esprit que l'on découvre un nouveau continent de connaissances”
Pouvez-vous vous présenter ?
Je m'appelle Nicolas Gisin, j’étais professeur à l'université de Genève durant de nombreuses années. Depuis peu de temps, je suis professeur honoraire à la retraite.
Cela ne m'empêche pas d’être très actif aussi bien à l’université que dans plusieurs Spin Off et particulièrement dans l’une d’entre elles qui s’appelle IDquantique qui s'occupe de cryptgraphie quantique.
Elle est à Genève et à des bureaux en Corée et aux États-Unis. Je suis très actif dans cette structure qui existe maintenant depuis presque 20 ans.
A quel moment vous êtes-vous intéressé au quantique ?
Je me suis intéressé à la physique quantique lorsque j'étais en 2ème année d'université car nos professeurs ont commencé à nous en parler. J'ai trouvé cela tout à fait fascinant car c'est une manière de rentrer dans l’univers du microscopique : des atomes et des photons, ces particules de lumière. Et l’on découvre un autre monde non pas en se déplaçant physiquement vers un autre continent mais par la pensée essentiellement. C’est par la force brute de l'esprit et de l'intelligence que l'on peut pénétrer dans ce monde merveilleux où les lois qui le régissent sont très différentes de celles du monde dans lequel nous vivons. Il y a par exemple, le principe de superposition mais aussi celui de l’aléatoire fondamental lié au principe d'incertitude d'Heisenberg qui est plutôt un principe d'indétermination que d'incertitude d’ailleurs. Plus tard, j’ai découvert d’autres principes du quantique : l’intrication, la non-localité et l’inégalité de Bell. Mais cela je ne l'ai pas découvert la 1ere année car on ne nous ne nous en parlait pas à l'université. Évidemment, à cette époque on parlait encore moins de cryptographie quantique et de téléportation car cela n'avait pas encore été inventé.
Étant à Genève, j'ai eu la chance de rencontrer John Bell qui a découvert la non-localité quantique. C’est lui qui a mis ce phénomène en évidence sur le plan théorique. Il travaillait au CERN à Genève.
Parmi les souvenirs marquants, je me rappelle que j’étais en vacances dans le sud de l’Inde lorsque j’ai lu un article d’une revue scientifique qui parlait de la non-localité et cela m'avait totalement fasciné. Par la suite, j'ai rencontré des gens comme Alain Aspect qui a fait l'expérience la plus convaincante en non-localité quantique. Et au début des années 1990, l'informatique quantique a véritablement décollé. On a vu que cette non-localité était potentiellement utile pour la cryptographie quantique. A cette même période se sont développées les idées sur les corrections d'erreurs. Puis, la téléportation quantique a été inventée et tout cela a profondément changé la manière dont le monde a perçu la mécanique quantique. A partir de ce moment-là, la physique quantique n’était plus dominée par le principe d'incertitude ou simplement la dualité ondes corpuscules. L'intrication était dorénavant au cœur de la mécanique quantique et des applications.
Lorsque j'ai commencé à travailler sur la cryptographie quantique nous étions les premiers à nous intéresser à l’intrication. Au début des années 90, on a réalisé une expérience de cryptographie quantique : « Sous le lac de Genève » “Under the lake Geneva”. Des articles ont été repris dans des journaux scientifiques ce qui a facilité son écho dans le monde scientifique. C'était la 1ere expérience quantique requérant des photos prises par un satellite du lac de Genève. Les images montraient les deux endroits connectés via un canal quantique.
Ce projet a pu être réalisé car j’avais de nombreux contacts chez SwissCom, l'équivalent suisse d'Orange. Les différents travaux que j’avais mené auparavant avec des techniciens de SwissCom, nous a permis d’utiliser la fibre optique sous le lac pour cette expérience. C'est grâce à cette expérience que l'on a pu comprendre la technologie des fibres optiques. Ce qui manquait vraiment à l'époque c'était les détecteurs. Comment détecter des photons individuels. Il ne fallait pas détecter plusieurs photons, cela on peut le faire avec nos yeux, mais il fallait les détecter un par un avec efficacité, avec peu de bruit. Il fallait que ces photons passent bien à travers les fibres optiques standards, celles que l'on utilise pour Skype par exemple. C'est ce qu'on appelle des photons télécoms. A l'époque, il n'existait aucun détecteur pour ces photons. Avec mon équipe, de l'UNI de Genève, nous avons développé ces détecteurs. Et c'est aujourd'hui un produit que IDquantique commercialise. Le quart du chiffre d'affaires provient de la vente de détecteur de photons. Les 3 autres quarts concernent la cryptographie quantique.
Quel regard portez-vous sur l'engouement actuel concernant ce sujet ?
Pour moi, c'est magnifique de voir l'évolution de ce domaine de recherche parce que quand j'ai commencé cela n'existait vraiment pas. J'ai donc vécu et j'espère avoir contribué à son développement.
Au début, les premières conférences rassemblaient, au niveau mondial, 20 à 30 personnes. Aujourd'hui, si on rassemblait toutes les personnes qui s'intéressent au sujet, on serait 10 000 ou 20 000.
Il y a eu un énorme changement et cela à tous les niveaux. Je pense qu'une partie de ce succès phénoménal provient du fait que ce domaine est fascinant intellectuellement. En effet, ce qui m'a tout de suite fasciné dans la physique quantique c'est l'aléatoire quantique, la non-localité, la téléportation quantique.
Et en même temps, la technologie a fait tellement de progrès qu'on peut maintenant mener différents types d’expériences et on peut même commercialiser des produits.
On voit donc des applications dans notre quotidien. Évidemment Bruxelles met aujourd’hui de l’argent dans le domaine car tout le monde comprend qu’une nouvelle révolution technologique arrive d’où le flag ship “Quantum technology” . Espérons que cette prochaine révolution ne soit pas driver uniquement par la Chine et les États-Unis. L'Europe veut essayer de tirer son épingle du jeu. Aujourd'hui on sait qu’il y a un potentiel énorme. Ce domaine attire les jeunes chercheurs d’un point de vue intellectuel et il y a des sponsors prêts à financer cette recherche.
Quelles sont les applications actuelles et potentielles ?
Pour le moment, la première et unique application grand public de l'informatique quantique concerne les générateurs de nombre aléatoires. C’est la techno la plus vendue dans le monde. En 2020 ma société IDquantique a sorti la première petite puce millimétrique. Cette dernière consomme très peu d'énergie et peut se mettre dans un téléphone standard. Samsung propose déjà cette techno de sécurisation des données dans ses téléphones. Cette puce génère de l'aléatoire pour protéger tous vos mots de passe par exemple. Malheureusement, on ne peut pas encore l'acheter chez nous en Europe. Aujourd'hui le grand public peut l'acheter en Corée via Samsung et au Vietnam via la société VinSmart.

La deuxième application concerne le domaine de la communication quantique et plus précisément la génération automatique de clés cryptographiques. Cette technologie permet de protéger des communications. Les banques sont intéressées par cette technologie.
Pour ce faire, nous connectons par fibre optique les deux entités qui souhaitent échanger des informations de façon sécurisée et nous travaillons sur le concept de hasard quantique. Une même information doit se manifester à deux endroits distincts en même temps.
Si quelqu’un de malveillant souhaite accéder à la fibre optique pour récupérer cette information, il n'a aucun moyen d'intercepter cette information aléatoire car la crypto quantique ne communique pas de l'information en tant que telle mais échange des mots de passe aléatoires. Les deux entités partagent donc en même temps le même mot de passe, la même clé cryptographique aléatoire.
L’entreprise Suisse IDQ, dont j’ai parlé précédemment, et plusieurs sociétés chinoises commercialisent déjà cette solution. Il y a d'autres entreprises bien sûr à travers le monde mais les plus avancées sont celles en Suisse et en Chine.
Nous commercialisons donc ces petites boîtes qui sont des ordinateurs remplis d'électronique, de technologie optique, de générateurs de photons, de détecteurs de photons, des modulateurs d'intensité. Tout cela va automatiquement créer des clés cryptographiques.

Ensuite, il y a des applications qui sont commercialisées à un niveau embryonnaire car plus spécialisées. Il s'agit de certains types de capteurs quantiques à la fois extrêmement petits et extrêmement sensibles (on va vraiment descendre au niveau des atomes, des spins). Ils sont capables de mesurer la surface d'un métal pour détecter des champs magnétiques. A quoi cela sert-il ? Et bien, s’il s’agit d’un métal banal cela ne sert à rien mais s’il s’agit d’une surface que l'on est en train de développer pour réaliser des nouveaux types de prothèses ou des nouveaux types de matériaux, les physiciens alors ont besoin d'aller mesurer ce qu'ils sont en train de développer avec la plus grande précision et sensibilité possible. Ces capteurs permettent cela.

Dans les applications possibles il y a donc la réalisation de nouvelles prothèses ou de nouveau fuselage d'avion. On peut même imaginer qu'un jour certains de ces capteurs puissent aussi être injectés dans le corps humains pour aller ensuite sur les vaisseaux sanguins et permettent de faire de l'imagerie du corps humains.
On pourrait obtenir ce résultat avec des capteurs aux résolutions et aux sensibilités nettement plus grandes.
En France il y a une entreprise qui travaille sur ce sujet Muquans. Ils font de l'interférométrie atomique, mais pas au niveau des photons, ce qui se fait depuis longtemps, mais avec des atomes, ce qui est beaucoup plus récent et permet aux capteurs d’être extrêmement sensibles. En ayant une sensibilité beaucoup plus importante on pourrait imaginer équiper en capteurs ultra sensibles un petit avion ou un hélicoptère et le faire survoler un territoire. De cette façon, nous pourrions mesurer les variations de champs de gravitation et donc savoir s’il y a un trou ou de la matière sous la surface. S’il y a un trou, les capteurs mesuront moins de gravitation. S'il y a du pétrole sous un énorme rocher dans ce cas il y en aura plus de gravitation. Donc on saura où aller creuser.
Ce procédé consiste à faire interférer des atomes séparés. C'est-à-dire qu’en réunissant verticalement un atome séparé en deux, l’une des deux parties ira plus vers le haut et l'autre ira plus vers le bas et de cela permettra de mesurer s’il y a un gradient de champs gravitationnel.
Quand est-ce que ces applications plus futuristes vont voir le jour ?
En ce moment, le secteur est en effervescence. Il y aura donc des nouveautés qui vont sortir tous les ans même si toutes ne vont pas révolutionner le domaine.
Il va sans doute y avoir des choses nouvelles concernant les capteurs.
Et le grand graal étant l'ordinateur quantique.
D'ailleurs faut-il parler d'ordinateur ? Déjà le mot ordinateur fait référence à nos ordinateurs classiques ce qui apporte de la confusion.
Par exemple, lorsque l'on parle de téléphone quantique il ne s’agit en réalité que d’une puce de générateur aléatoire quantique que l’on met dans un téléphone. Ce n’est pas le téléphone qui est quantique.
Pour l’ordinateur quantique c'est la même chose. Ce n'est pas l'ordi qui est quantique mais les processeurs quantiques que l’on intègre à la machine. Il y aura donc des processeurs qui permettront d'accélérer de façon faramineuse certains types de calculs. Ces ordinateurs seront capables de casser les clés cryptographiques qu'on utilise aujourd'hui. Mais pour qu’il soit en capacité de le faire, il faudra déjà un processeur gigantesque. Et cela n'existera pas avant 10 à 20 ans.
En revanche, il y a d'autres applications qui verront le jour grâce à des simulateurs quantiques qui permettent de calculer les propriétés chimiques de certaines molécules. Par exemple, on peut imaginer que dans l’avenir les simulateurs quantiques nous aideront à réaliser des vaccins contre des virus. Grâce à eux, nous pourrons mieux comprendre la photosynthèse et améliorer les capteurs solaires. Les domaines de la chimie et des nouveaux matériaux pourront également évoluer. On pourra grâce à la puissance des calculs quantiques simuler des molécules avant de pouvoir les produire. On pourra donc accélérer la recherche de façon conséquente dans le domaine médical, pharmaceutique, des matériaux et de la chimie. Et pour cela, nous n'avons pas toujours besoin d'un énorme processeur quantique. Des processeurs quantiques de tailles intermédiaires, juste un plus grands que ce qui existe aujourd'hui mais plus petits que ce qu'il faut pour casser des clés cryptographiques, pourraient faire l’affaire. Je pense qu’à un horizon de 5 à 10 ans cela sera possible. Ce n'est pas si loin de nous.

Dans un premier temps, la plupart de ces processeurs ne seront pas intégrés dans l'ordinateur classique. Ils seront juste connectés. Les spécialistes de la programmation utiliseront des ordinateurs classiques et seront connectés à un processeur quantique à distance. Les premiers processeurs sont assez complexes et ont besoin d’un environnement à très basse température pour fonctionner. Chaque pays voudra avoir le sien, et les programmeurs pourront avoir accès à ces centres. C’est d'ailleurs déjà le cas aujourd'hui avec celui d'IBM que tout le monde peut utiliser. Sauf que ce que propose IBM gratuitement ne permet pas de faire des calculs vraiment utiles car il n’a pas assez de qubits quantiques.
Les meilleurs processeurs d'IBM ne sont pas accessibles au public. Ils sont réservés à leurs ingénieurs.
Les ordinateurs quantiques vont continuer à se développer et dans 5 ans peut-être ils proposent des abonnements payants pour les programmateurs qui souhaitent utiliser leur technologie.
Pourquoi la Corée et le Vietnam sont-ils les premiers pays à commercialiser une techno quantique ?
Je crois qu'en Asie il y a une fascination plus grande du grand public pour les technologies.
Par exemple, la 5G n'a pas eu de problème pour se déployer dans ces pays. En Europe, il y a beaucoup d'idées reçues et de méfiance par rapport à la technologie et cela ralentit les choses.
En Corée, par exemple, il y a une banque d'origine Londonienne, installée dans le pays, qui propose de communiquer avec votre banque via une sécurité renforcée par un aléa quantique et c’est un argument auquel les coréens sont sensibles. Samsung les commercialise au même prix que les autres téléphones. La sécurisation supplémentaire avec une clé quantique est un argument marketing auquel les coréens et les vietnamiens sont sensibles. Donc ils achètent du Samsung ou du VinSmart au Vietnam.
Est-ce que l’Europe a encore sa carte à jouer ?
Chacun a encore sa carte à jouer parce que les développements sont encore à un stade suffisamment embryonnaire. Tout n'est pas joué. Par contre, en ce moment, cela va très vite. Il ne faut donc pas traîner.

D’ailleurs, la Chine par l'intermédiaire de son Président s’est exprimée sur l'importance des technos quantiques et elle investit à coup de milliards. En termes de communication quantique, je dirais que la Suisse et la Chine sont les plus en avance en crypto quantique avec ensuite les Japonais. Toshiba développe aussi un système. Ils ont fait des annonces il y a quelques mois comme quoi ils allaient se lancer commercialement.
En revanche, en ce qui concerne les ordinateurs quantiques, les américains sont les plus forts. Il y a beaucoup de boîtes privées telles qu’IBM, Microsoft, Intel, Google qui investissent massivement dans les processeurs quantiques.
En Europe, il n'y a aucune grande boîte qui fasse sérieusement quelque chose sur le sujet. Peut-être Atos mais ce n'est pas à la même échelle.
Mais maintenant, Bruxelles a compris qu'il fallait investir. Toutefois lorsque Bruxelles investit 1 milliard, les sociétés privées américaines mettent chancune 1 milliard et les chinois mettent facilement le double...
Comme le marché est de plus en plus concurrentiel, cela devient de plus en plus difficile de vraiment savoir où en sont ces grosses sociétés qui investissent dans le quantique et quelle est la meilleure techno.
De plus, tous les jours de nouvelles sociétés se créent et essaient de trouver une petite niche dans le domaine.
Existe-t-il différents types d'ordinateurs quantiques ?
L’ordinateur historiquement le plus important a été fabriqué avec des ions, des sortes d'atomes que l'on arrive à piéger dans des dizaines de pièges linéaires. Des entreprises en Europe et aux USA sont capables d’en fabriquer, par contre ces ordinateurs sont un peu limités. Au-delà de quelques dizaines d'atomes, ils ne fonctionnent plus. Si on veut augmenter leurs puissances, il faut ajouter un 2eme processeur, constitué également de dizaines d'atomes et il faut les coupler pour que l'information quantique puisse passer d'une de ces chaînes d'atomes à une autre. C'est quelque chose qui marche plutôt bien. Cependant, on a encore une certaine difficulté à être totalement sûr qu’ils vont vraiment arriver à augmenter le nombre d'atomes, chaque atome étant un de ces bits quantiques. Plusieurs sociétés à travers le monde y travaillent.
Ensuite, il y a d’autres approches dont celle des qubits supraconducteurs : l’’ordinateur quantique supraconducteur.
L'idée est d'utiliser des matériaux supraconducteurs à très basse température et d’utiliser des atomes artificiels. Dans ce cas, on crée artificiellement un système à trois niveaux. Beaucoup de ces idées proviennent de France mais sont développées ensuite chez Google et maintenant à Delft en Hollande, à Zurich et en Chine aussi. C'est probablement dans ce domaine où il y a le plus d'expérimentation aujourd'hui.
Et puis, il y a d’autres idées plus confidentielles qui reposent sur l’utilisation des réseaux d'atomes d'un certain type. C'est le cas de cette société parisienne PasQal et d'un professeur à Harvard. Ils ont des résultats remarquables mais c'est quelque chose de plus récent et il y a moins de monde encore qui travaille dessus.
On ne peut pas dire encore laquelle est la meilleure.

C'est possible aussi que certains de ces processeurs vont fonctionner mieux que d'autres jusqu'à 1000 qubits mais qu’il faille utiliser une autre techno au-delà.
C'est tout à fait possible que certains processeurs soient adaptés à une techno spécifique et que pour d'autres applications il faille une autre techno.
Êtes-vous surpris des avancées dans le domaine du quantique ?
Je pense qu'au début des années 90 jamais je n'aurai imaginé que 30 ans plus tard on en serait là. Surtout au niveau des ordinateurs quantiques. C'est vraiment impressionnant.
J’étais parmi les tout premiers à développer un générateur de nombre aléatoire quantique et à l'époque je trouvais que j’avais réussi à faire quelque chose déjà d’assez petit.
Mais aujourd’hui une puce mesure 1 millimètre sur 2 millimètres et elle se met dans le téléphone. Et ce n'est pas un physicien comme moi qui a pu obtenir ce résultat mais des ingénieurs.
Même si cela va très vite, le crypto quantique reste quand même un marché de niche. On n'en vend pas des centaines tous les jours. Donc, on voit une certaine résistance à adopter cette nouvelle techno. Les spécialistes de la sécurité ne sont pas des physiciens donc ils ne sont parfois pas convaincus à 100% car ils ne comprennent pas bien comment cela fonctionne.

Aujourd'hui, l'Europe a lancé officiellement son projet flagship technologie quantique, la Chine a fait des annonces importantes et le développement des technologies quantiques a été érigé en priorité nationale par le National Quantum Initiative Act aux Etats-Unis. Cette loi bipartisane, poussée par le Congrès US et signée par Donald J. Trump prévoit de consacrer 1,2 milliards de dollars au développement de l'information quantique au cours de la prochaine décennie. 625 millions de dollars seront investis, sur cinq ans, dans cinq centres de recherche en sciences de l'information quantique à travers le pays. Le secteur privé et le monde universitaire américains apportent, quant à eux, une contribution supplémentaire de 340 millions de dollars à ces centres.

Si ces trois géants se lancent, cela change évidemment les perspectives de développement.

Et aujourd'hui toutes les entreprises ont entendu parler de la techno quantique. Il y a encore 5 ans ce n'était pas le cas.
Existe-t-il des bonnes méthodes de vulgarisation ?
La vulgarisation c'est très bien mais c'est aussi dangereux car si on simplifie le propos les gens ne comprennent rien du tout.
Pour ma part, pour tenter d'expliquer ce domaine de recherche, j'ai écrit “l'impensable hasard” chez Odile Jacob. Dans ce livre j’ai essayé d'expliquer certains principes comme la non-localité, la cryptologie quantique, la téléportation. Les lecteurs trouvent souvent qu'il est difficile à lire mais la crypto quantique est un sujet complexe à appréhender car il y a des concepts nouveaux qui demandent un effort intellectuel constant.
Quand les journalistes me disent pouvez-vous m'expliquer la physique quantique en trois minutes vous pensez bien que c'est impossible. Il m'a fallu bien 30 ans pour comprendre ce domaine. C’est pourquoi j’aime bien dire que je suis un explorateur du monde des atomes et des photons.
A lire
Sa page wikipedia :
https://fr.wikipedia.org/wiki/Nicolas_Gisin

L'impensable hasard :


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