Générateur de qubits de deuxième génération créé par la start-up Quandela. © Cyril Frésillon / Quandela / C2N / CNRS Photothèque

La recherche française au cœur du Plan Quantique

Annoncé le 21 janvier 2021 au Centre de nanosciences et de nanotechnologies - C2N (CNRS/Univ. Paris-Saclay) par Emmanuel Macron, le Plan Quantique entend organiser les forces industrielles et de recherche du pays pour faire de la France un acteur majeur des technologies quantiques.

Les prix Nobel de physique Albert Fert et Serge Haroche qui développèrent la spintronique1 et l’électrodynamique quantique en cavité2, le lauréat de la médaille d’or du CNRS Alain Aspect et ses travaux pionniers sur l’intrication quantique, les simulateurs quantiques d’Atos… La France possède des compétences reconnues dans le domaine des technologies quantiques et entend bien conserver un rôle majeur dans la compétition internationale. Pour cela, le président de la République Emmanuel Macron vient de dévoiler un grand Plan Quantique, fortement attendu des communautés scientifiques françaises mais dont l’annonce avait longtemps été repoussée à cause de la crise sanitaire et économique.

Ce plan s’appuie en partie sur le rapport rendu par la députée Paula Forteza, le chercheur Iordanis Kerenidis (CNRS) et l’ancien PDG de Safran, Jean-Paul Herteman, en janvier 2020 qui mettait en avant l’excellence de la recherche française mais aussi le retard du pays en termes d’investissements, notamment pour le transfert vers l’industrie. Il proposait 37 mesures visant à définir une « stratégie nationale ambitieuse », dont plusieurs ont été reprises.

1,8 milliard d’euros

Similaire au Plan IA présenté en 2018, le Plan Quantique prévoit des actions en faveur de la recherche (en particulier pour les ordinateurs, capteurs et communications quantiques), l’industrie et la formation, financées par le PIA43 et le plan « France relance4 », à hauteur de 1,8 milliard d’euros. Un « effort de R&D intensif » qui doit identifier les pistes technologiques qui « pourraient aboutir à un marché d’ici 5 ans », selon Sébastien Tanzilli, chargé de mission technologies quantiques au CNRS et membre de la task force5 pilotée par l’État.

"Le quantique fait partie des quelques clés du futur que la France doit avoir en main", indique Emmanuel Macron lors de la présentation du Plan Quantique le 21 janvier 2021 au C2N. ©Élysée - capture d'écran

Communications cryptées, capacités de calcul augmentées… les enjeux stratégiques sont nombreux et le plan rassemble autant les ministères des Armées et de l'Économie, des Finances et de la Relance, que de l’Enseignement supérieur, de la Recherche et de l’Innovation. « Secteur d’avenir » et « marché clé » le quantique est ainsi, pour Olivier Cappé, directeur adjoint scientifique de l’Institut des sciences de l'information et de leurs interactions (INS2I), « une stratégie d’accélération dont le succès est étroitement lié aux avancées attendues en recherche ».

Pour relever ces défis, le plan doit en effet permettre de structurer les forces vives du pays sur le domaine des technologies quantiques et des technologies dites « habilitantes » nécessaires à la mise en œuvre des futurs systèmes quantiques (notamment matériaux de pointe et cryogénie). Les technologies quantiques sont « encore largement une question de recherche fondamentale », selon Sébastien Tanzilli. C’est pourquoi l'État s’entoure des trois grands opérateurs de recherche français concernés – le CNRS, le CEA et Inria – pour définir sa stratégie. « Grâce à son tissu de laboratoires qui maille le territoire national et à son approche pluridisciplinaire, alliant recherche fondamentale, innovation et transfert technologique, le CNRS représente l’atout français majeur pour répondre efficacement aux défis des technologies quantiques de demain, et pour positionner la France au plus haut niveau de la compétition internationale », confirme le chercheur.

Des interfaces à créer

 « Très concret », le plan entend ainsi assurer la souveraineté nationale face notamment aux États-Unis et à la Chine qui investissent massivement, mais aussi face aux géants du numérique (comme Google ou IBM) dont les efforts de recherche se multiplient avec des budgets conséquents et des « résultats de premier plan ». La compétition se forme également au sein même de l’Europe – en particulier le Royaume-Uni et l’Allemagne développent des stratégies propres – malgré un Flagship Quantique commun d’un milliard d’euros sur 10 ans lancé en 2018 et qui a déjà soutenu 19 projets dont dix avec une participation du CNRS sur les quatre piliers que sont les communications, le calcul, la simulation et les capteurs quantiques. « La combinaison des stratégies d’accélération nationales – par exemple, la mise en place d’un accord entre la France et l’Allemagne –, permettrait d’aboutir à des innovations compétitives », assure Sébastien Tanzilli pour qui « il y a énormément de forces en France et en Europe ».

Le plan s’intéresse aussi aux interfaces avec les industries d’une part et à la formation en ingénierie quantique d’autre part. À travers un programme de recherche renforcé, il entend soutenir les écosystèmes thématiques visibles au niveau national. Maillés de laboratoires du CNRS et de ses partenaires, les grands pôles universitaires ont ainsi anticipé l’arrivée du plan en entamant un processus de structuration depuis quelques années.

Des sciences humaines à la physique

À Grenoble notamment, à travers le programme Quantum Engineering Grenoble (QuEnG), se construit un « écosystème pour les technologies quantiques » qui va du philosophe à l’industriel, soit « tout le continuum de la connaissance et de l’activité économique », explique Alexia Auffèves, directrice de recherche CNRS à l’Institut Néel et coordinatrice du programme. Jusque-là, il était financé par l’Université Grenoble Alpes et la Commission européenne avec un budget de près de 4 millions d’euros sur deux ans. Avec deux chaires d’excellence et une trentaine de bourses de thèse, dont deux en sociologie et philosophie, les équipes entendent « tricoter l'interdisciplinarité ». L’enjeu est de taille : faire dialoguer les expertises pour définir ensemble, « non pas des solutions mais les questions à poser ». Les thèses sont par exemple menées en cotutelle dans deux domaines ou en binôme avec un doctorant d’un autre domaine.

Les start-up françaises prêtes à relever le défi

Plusieurs start-up soutenues par le CNRS se placent sur le créneau des technologies quantiques, notamment les capteurs quantiques et les systèmes de communication quantique, secteurs « les plus mûrs », selon Sébastien Tanzilli. Par exemple, la société Quandela travaille à l’émergence de nouveaux ordinateurs et de nouveaux réseaux de communication : cofondée par Pascale Senellart, elle vient de remporter l’appel à projets Innov’up Leader PIA, lancé conjointement par l’État et la Région Île-de-France et opéré par Bpifrance. Issue de l’équipe d’Antoine Browaeys, directeur de recherche CNRS au Laboratoire Charles Fabry - LCF (CNRS/Institut d’optique Graduate School/Université Paris-Saclay), la société PASQAL s’attaque quant à elle aux simulateurs quantiques programmables à l’aide d’atomes froids ayant la capacité de résoudre des problèmes complexes sur lesquels buttent les ordinateurs classiques haute performance. Le CNRS, via sa filiale CNRS Innovation, a aussi pris une participation au capital de la start-up Alice & Bob, qui vise la mise au point en cinq ans d’un calculateur quantique universel opérationnel et a levé 3,3 millions d'euros auprès de fonds d'investissement en 2020. « Il faut assurer à ces entreprises des financements et des débouchés nationaux », assure le membre de la task force française, sous peine de les perdre au profit de capitaux étrangers. Le Plan Quantique, dans son volet de soutien aux entreprises, doit permettre cela.

Plus d’exemples : Les start-up françaises parées pour la transition quantique

L’appui des industriels

Inciter au dialogue pour créer une culture et un langage communs, c’est aussi l’objectif de la fédération de recherche CNRS Paris Centre for Quantum Computing (PCQC), créée en 2014 avec le CNRS, Sorbonne Université et l’Université de Paris, et qui est en phase d'élargissement pour inclure l'Université PSL et Inria. « En 2014, essayer de faire parler ensemble des informaticiens et des physiciens n’était pas banal ! », assure sa directrice adjointe Eleni Diamanti, directrice de recherche CNRS au LIP6 (CNRS/Sorbonne Université). Si la recherche reste au cœur du projet parisien, la fédération est en discussion avec le Lab quantique6 et s’implique dans la Maison du quantique qui hébergera des industriels, des start-ups et des scientifiques étrangers.

L’appui des industriels est en effet indispensable pour progresser sur les questions de recherche qui sont au cœur des technologies quantiques. Comme ses pendants de la région parisienne, le pôle grenoblois en a bien conscience et s’appuie sur un tissu industriel dense déjà porté sur la cryogénie (avec Air Liquide) et la micro-électronique (STMicroelectronics), deux technologies habilitantes du quantique. « Le programme QuEnG a été une sensibilisation efficace mais le Plan Quantique va au-delà, rendant les industriels proactifs avec des financements pour développer de nouveaux outils coûteux spécifiques et nécessaires au calcul quantique et les mettre à disposition des communautés des technologies quantiques », résume Tristan Meunier, directeur de recherche CNRS à l’Institut Néel et membre du conseil scientifique du pôle.

Une petite communauté

« Les moyens nationaux du Plan Quantique vont changer la donne », confirme Eleni Diamanti, car « au-delà de la contribution financière, le fait que l’État soutienne l’excellence scientifique française nous donne une légitimité aux niveaux européen et mondial ». Elle espère toutefois des procédures et des instruments financiers « légers pour que les équipes de recherche puissent se concentrer sur la recherche », et souhaite que le gouvernement ne soutienne pas uniquement « les grands sites universitaires mais tout l’écosystème français ».

Prototype de centrale inertielle quantique 3 axes développé par le LP2N et iXBlue dans le laboratoire commun iXAtom sur la navigation. ©iXAtom

Des revendications partagées par le troisième grand pôle, Quantum, celui de l’Université Paris-Saclay, qui fait également partie du réseau académique SIRTEQ7 de la région Île-de-France. « Une des spécificités des technologies quantiques est que la communauté est petite et que les moyens nécessaires pour entrer dans la course sont énormes : nous n’avons donc pas besoin d’appels à projet car nous connaissons ce sur quoi chacun travaille et les nouveaux acteurs sont rares », assure Pascale Senellart, directrice de recherche CNRS au Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies - C2N (CNRS/Université Paris-Saclay) et coordinatrice de Quantum dont le périmètre devrait bientôt s’élargir aux membres de l’Institut polytechnique de Paris situé également sur le plateau de Saclay. « La structuration des sites est une formidable opportunité d’organiser le développement des technologies quantiques au niveau local, sur le modèle des Labex8, en lien étroit avec la stratégie nationale incarnée par les organismes nationaux comme le CNRS ».

Des masters en construction

Côté formation initiale, les sites s’organisent également. Après avoir fait travailler ensemble des étudiants de première année de master en informatique et physique quantique dans un module d’enseignement interdisciplinaire, QuEnG lance un nouveau master 2 international « Quantum information - quantum engineering » pour la rentrée 2021. L’idée : préparer la prochaine génération de jeunes chercheurs et chercheuses déjà formés à l’interdisciplinarité actuellement développée au niveau du doctorat. L’année de recherche en technologies quantiques « Arteq », ouverte par l’Université Paris-Saclay et l’ENS Paris-Saclay pour la rentrée 2020 avec 10 étudiants, propose également un parcours interdisciplinaire de formation. Conçu comme une année supplémentaire entre le M1 et le M2, il est ouvert à tous les profils avec des bourses offertes par les industriels du plateau de Saclay. « Construire cette formation a aussi permis de commencer à faire dialoguer les communautés de recherche », se réjouit Pascale Senellart. Plus de 30 étudiants ont déjà postulé pour l’an prochain : avec l’annonce du Plan Quantique, la France a enfin toutes les clés en main pour accélérer les technologies quantiques.

Notes :

  1. La spintronique exploite la propriété quantique du spin des électrons pour stocker des informations.
  2. Voir https://www.cnrs.fr/fr/personne/serge-haroche
  3. Ce quatrième Programme d’investissements d’avenir (PIA), mis en place par l’État pour financer des investissements « innovants et prometteurs » sur le territoire, sera doté de 20 milliards d’euros sur 5 ans.
  4. Présenté par le Premier ministre le 3 septembre 2020, suite à la crise du COVID-19, le plan « France Relance » est présenté comme une « feuille de route pour la refondation économique, sociale et écologique du pays » avec un budget de 100 milliards d’euros.
  5. Sollicitée pour établir la feuille de route du Plan Quantique, la task force sur les technologies quantiques a rassemblé des représentants de l'État, des laboratoires de recherche et des organismes de financement comme l’Agence nationale de la recherche (ANR) et Bpifrance.
  6. Le Lab Quantique est une association parisienne qui promeut les technologies quantiques en développant des activités de formation et d'animation. Il est soutenu par le fonds français Quantonation, Bpifrance et le programme Deep Tech Founders.
  7. Porté par le CNRS, le projet « Sciences et ingénierie en Région Île-de-France pour les technologies quantiques » (SIRTEQ) a été labellisé Domaine d’intérêt majeur (DIM) en 2018 et est financé par la Région Île-de-France.
  8. Sur appel à projet sur tout le territoire, l’action « Laboratoires d'excellence » (Labex) du PIA, d'un montant d'un milliard d'euros, visait à « doter les laboratoires ayant une visibilité internationale de moyens significatifs ».