Le moment est venu de passer à autre chose

: La consommation d'énergie re­présente l'un des plus gros problèmes. Aujourd'hui, le traitement électronique des données et l'infrastructure de communication nécessitent davantage d'énergie que le trafic aérien. Si nous continuons comme cela, dans dix ou quinze ans, la moitié de la consommation totale d'énergie sera due au secteur des techno­logies de l'information.

Christian Rüegg: D'un côté, c'est un problème de société et, de l'autre, un problème technique. Cette consommation d'énergie génère en effet beaucoup de chaleur d'échappement. Et plus les choses qu'on construit sont petites, plus elles chauffent. Ce sont les lois de la thermodynamique, autrement dit de la physique fondamentale.

Gabriel Aeppli: Il y a deux autres problèmes: il est désormais impossible d'augmenter la rapidité de la base, c'est-à-dire des différents commutateurs électro­niques. Et, comme tout est si complexe, des problèmes de sécurité et de fiabilité peuvent survenir.

Christian Rüegg: Dans le cas de l'utilisation de l'intelligence artificielle et des voitures autonomes, cette fiabilité peut être décisive. Si votre ordinateur, à la maison, plante et doit être redémarré, c'est seulement agaçant. Sur l'autoroute à 120 kilomètres-heure, le problème est tout autre.

Gabriel Aeppli: Le risque commercial représente encore un autre défi. Aujourd'hui, construire une nouvelle usine de puces électroniques coûte déjà entre 10 et 20 milliards de dollars, et ce prix va continuer à augmenter.

Les problèmes semblent énormes et nombreux.

Gabriel Aeppli: C'est pour ça que nous sommes là! Et c'est parce que les défis sont si importants que la chose est intéressante. Pendant les quarante dernières années, nous étions comme sur une autoroute. On a toujours exploité la même idée pour miniaturiser de plus en plus les composants électroniques.

Christian Rüegg: L'électronique d'aujourd'hui se fonde sur des transistors qui agissent comme des interrupteurs, avec lesquels on commute de 0 à 1. Or, on pourrait se servir d'autres processus qui permettraient de réduire la complexité parce que leurs parties elles-mêmes seraient plus complexes. Jusque-là, il fallait résoudre les problèmes par la technique; notre objectif est de trouver à la place une solution intelligente d'ordre physique.

Gabriel Aeppli: Le moment est vraiment venu de passer à autre chose!

Comment se présente cette nouvelle solution intelligente?

Christian Rüegg: Il y a deux domaines différents: d'un côté, le calcul et, de l'autre, le stockage des données. Pour chacun, il existe une solution propre. Pour le stockage des données, on cherche de nouveaux matériaux. L'idée est de se servir de supermatériaux exotiques, dotés de certaines propriétés magnétiques, pour stocker des données à plus grande vitesse et moyennant moins d'énergie. Au PSI, nous étudions quels sont les matériaux susceptibles d'entrer en ligne de compte.

Pour le calcul, une chose est claire: en ce qui concerne l'unité que l'on utilisera à l'avenir, il faudra trouver autre chose que le transistor 0-1 utilisé jusqu'ici; cette unité devra présenter plusieurs états. La solution, à mes yeux, c'est la construction d'un ordinateur entièrement nouveau, fondé sur les principes de la mécanique quantique. De nombreuses initiatives dans ce sens existent dans le monde. Au PSI, nous contribuons à cette recherche.

Gabriel Aeppli: Comme nous l'avons dit, les bits classiques, c'est soit 0, soit 1. Les bits quantiques, appelés aussi «qubits», sont composés d'une superposition d'états qui sont à la fois 0 et 1. Les états quantiques ont une densité d'information beaucoup plus importante et permettent en principe un calcul parallèle naturel. Or, celui-ci est beaucoup plus rapide que le calcul parallèle classique, aujourd'hui atteint dans les processeurs de PC par le biais d'une architecture multi­cœur. C'est elle qui vous permet, par exemple, d'avoir plusieurs onglets ouverts en même temps dans votre navigateur.

Des entreprises comme IBM et Google disposent déjà de prototypes d'ordinateurs quantiques, fondés sur le phénomène de la supraconductivité. D'autres approches s'appuient sur la physique des lasers et sur la physique atomique. Sera-t-il un jour possible de construire un ordinateur quantique maniable, qui remplacera nos ordinateurs conventionnels avec leurs puces en silicium?

Gabriel Aeppli: Dans un laboratoire de physique atomique, c'est un peu comme à Noël avec de nombreux lasers, très précisément réglés. Pour l'heure, les dimensions sont grandes et peu pratiques. Pour les machines supraconductrices aussi, les qubits sont relativement grands, notamment si l'on considère que la congélation est nécessaire.

Dans ma recherche, le silicium reste la base. Si l'on veut intégrer la physique quantique dans un appareil robuste, on est obligé de recourir au silicium. Ce dernier reste en effet un matériau idéal, dans lequel on a déjà investi beaucoup de recherche. Et il s'y prête aussi, car, même si le silicium est un solide, il se comporte à certains égards comme un vide incroyablement propre. Nous exploitons cette propriété en utilisant le silicium pour piéger certains atomes. Or, de tels pièges à atomes sont à la base des qubits.

Où en êtes-vous dans le développement d'un ordinateur quantique à base de silicium?

Gabriel Aeppli: Ici, au PSI, nous nous penchons sur la physique fondamentale. Nos collègues de l'université de technologie de Delft aux Pays-Bas et de l'université de Nouvelle-Galles du Sud en Australie ont déjà réalisé de petits commutateurs quantiques fondés sur ce principe. D'autres chercheurs, à l'ETH Zurich par exemple, travaillent en parallèle sur une autre technologie, fondée sur la supraconductivité. Pour notre part, nous considérons que le silicium représente le passé, mais qu'il pourrait aussi incarner l'avenir.

Dans dix ou vingt ans, nos smartphones abriteront-ils un ordinateur quantique?

Gabriel Aeppli: Je pense qu'il y aura des coprocesseurs quantiques qui résoudront au moins certaines tâches. Nos smartphones n'abriteront pas d'ordinateur quantique au complet, mais ils exploiteront des propriétés quantiques pour résoudre le problème de l'énergie, par exemple. Ici, au PSI, nous menons notamment des expériences pour mieux comprendre le comportement des électrons dans les puces informatiques. Ce comportement est en effet responsable de toutes les propriétés électroniques et donc aussi de la commutation des bits, qu'elle s'opère de manière classique ou par mécanique quantique. Avec la Source de Lumière Suisse SLS, nous commençons maintenant à scruter directement les électrons à l'intérieur de fines couches de matériaux. Bientôt, nous pourrons aussi le faire avec le nouveau laser à rayons X SwissFEL.

Christian Rüegg: En termes de physique et de démarche, la technologie quantique est tout à fait passionnante, mais il faudra encore franchir beaucoup d'étapes. En tant que scientifiques, nous contrôlons déjà certaines d'entre elles, mais il y en a d'autres – comme les facteurs économiques – que nous ne maîtrisons pas. D'où l'importance de l'intérêt de l'industrie.

Comment se présente la collaboration entre le PSI et l'industrie?

Gabriel Aeppli: Nous profitons du fait que la physique revêt actuellement une soudaine importance et qu'une nouvelle génération de recherche fondamentale doit être lancée. Pendant longtemps, les entreprises se sont surtout occupées des systèmes et des logiciels. A présent, des sociétés comme Microsoft et Google investissent dans le matériel et, en plus de collaborer avec des instituts de recherche, elles exploitent la recherche fondamentale dans leurs propres laboratoires, parce que les problèmes actuels ne peuvent plus être résolus par du logiciel.

Et comment se passe exactement votre collaboration avec l'industrie?

Christian Rüegg: Nous avons des projets de recherche communs, mais aussi de la recherche sous contrat, dans le cadre de laquelle les partenaires de l'industrie conduisent des expériences avec nos in­stallations et paient pour pouvoir le faire.

Gabriel Aeppli: Certains projets sont tellement appliqués que nous n'avons même pas le droit d'en parler.

Comment les chercheurs du PSI vivent-ils ce secret?

Christian Rüegg: Ah, dans notre propre recherche, c'est très similaire: quand on a une idée formidable, il y a de la concurrence et des ententes. En Suisse, il y a des gens qui travaillent à l'avènement du numérique; au PSI, nous travaillons déjà à l'avènement du numérique 2.0.

Propos recueillis par Barbara Vonarburg