Les États-Unis doivent préserver leur avantage quantique

Point de vue : les États-Unis doivent préserver leur avantage quantique


21/06/2022


Par John C. Johnson

Illustration d’iStock

La dépendance des États-Unis à l’égard des réseaux pour les transactions financières sécurisées, les communications, l’interface homme-machine et la connaissance incassable de la situation sur le champ de bataille a considérablement augmenté au fil des ans à un point tel que la « course aux armements » est désormais un terme impropre.

Au lieu de cela, la situation est mieux décrite comme une “quête technologique”. Les centres de recherche du monde entier sont désormais sous pression, poussant des technologies de pointe. Dans l’environnement commercial, le premier sur le marché génère des revenus plus élevés et des bénéfices plus importants. Dans le langage vernaculaire de la sécurité nationale, les « bénéfices » correspondent à la protection des communications et à la réalisation des objectifs de sécurité nationale.

La dépendance des États-Unis à l’égard de la technologie est devenue aiguë, en particulier avec les manœuvres et le positionnement actuels de ceux qui sont prêts à bouleverser la stabilité internationale. Il est maintenant impératif d’empêcher une descente lente et en spirale pendant que des adversaires potentiels montent. Une étude des sciences qui ont le potentiel de changer de paradigme donne un seul domaine de connaissances techniques avec d’énormes implications dans tout le spectre du commerce et de la défense : la technologie quantique.

Par la suite, pour empêcher toute érosion technologique, le président Joe Biden a signé le 4 mai un « décret exécutif sur l’amélioration du comité consultatif de l’initiative quantique nationale », qui relève directement de la Maison Blanche. Ce groupe d’experts indépendants conseillera le gouvernement et ses nombreuses agences sur l’état de développement de la technologie quantique.

N’étant plus une expérience de laboratoire, la technologie quantique donne désormais des applications pratiques, mais il y a un préjudice irrévocable si elle est utilisée par des contraires à l’ordre mondial. Aujourd’hui, les transactions cryptées peuvent être conservées dans des dépôts par d’autres jusqu’à ce que l’informatique quantique soit capable de déchiffrer ce que nous considérons aujourd’hui comme un code incassable. La propriété intellectuelle, les données classifiées et toutes les informations personnelles seront considérées comme des informations « open source ». Le danger est incompréhensible et la raison même du décret présidentiel. Pour saisir pleinement le potentiel, les Américains doivent se former à la science de la technologie quantique.

Ceux qui ne sont pas familiers avec la technologie quantique ont souvent les réactions suivantes à sa mention : un regard interrogateur, une reconnaissance de son potentiel lointain ou des visions des grandes unités cryogéniques nécessaires pour ralentir les particules atomiques à un état immobile pour initialiser la valeur.

Pourtant, un quatrième groupe travaille assidûment chaque jour avec la technologie pour passer du bit binaire, avec une valeur de 0 ou 1, au qubit, avec une valeur de 0 et 1. Ces individus d’élite fomentent la deuxième révolution quantique. Les Qubits sont devenus réalité ; des dizaines sont désormais possibles.

Les unités de refroidissement cryogéniques qui peuvent atteindre des températures proches du zéro absolu ont rendu possibles les qubits, mais leur taille énorme rend les applications générales difficiles. Pourtant, en 1997, Bill Phillips a remporté le prix Nobel de physique pour avoir démontré que les atomes sont affectés par la lumière laser et peuvent être refroidis par des effets Doppler à de basses températures – des millièmes de degré au-dessus du zéro absolu – et capturés, éliminant ainsi le besoin de grandes unités cryogéniques.

Par la suite, David Wineland et Serge Haroche ont remporté le Prix Noble en 2012 pour avoir contrôlé et mesuré des particules quantiques tout en préservant leurs propriétés quantiques. Avec plus d’un laser, l’équilibre thermique d’une particule quantique peut être établi. Ces réalisations ont fourni aux petits laboratoires et universités l’occasion de travailler avec certaines des plus petites particules connues.

L’un des éléments fondamentaux de toute application quantique est le qubit, qui est une expression des propriétés de superposition de la particule. Une particule atomique peut « occuper » plusieurs états à la fois. Le second est l’intrication, lorsque deux ou plusieurs particules quantiques partagent des caractéristiques unifiées communes tout en étant physiquement séparées. Les applications de refroidissement par laser permettent de maintenir et d’organiser le qubit crucial dans un réseau d’équilibre thermique, mais cette méthode s’accompagne de défis stupéfiants.

Un qubit est extrêmement sensible à la température, aux vibrations, au bruit, aux ondes électromagnétiques, à la diaphonie, etc., provoquant des erreurs importantes et une perte de cohérence quantique, ce qui rend difficile la caractérisation et l’initialisation de la valeur. Le manque de cohérence est l’un des problèmes majeurs auxquels sont confrontés les scientifiques et les ingénieurs de recherche. Sans cohérence, extraordinairement peu de choses peuvent être accomplies en un moment quantique fugace. Mais même si l’atteinte de la cohérence pendant une durée significative peut prendre quelques années, le niveau de cohérence quantique dont nous sommes capables aujourd’hui est suffisant pour diverses applications.

Deux applications sont importantes à connaître : l’informatique quantique et la détection quantique, qui ont un potentiel à court terme.

En informatique quantique, une fois qu’une particule est maintenue presque immobile – dans un état de cohérence – on peut initialiser sa valeur quantique, qui réside dans un état de superposition, 0 et 1. La superposition permet une activité parallèle par rapport au calcul en série associé au binaire. Mais de multiples facteurs dégradent ou consomment des qubits et doivent être pris en compte pour l’informatique quantique. Un nombre suffisant de qubits doit être disponible pour compenser les qubits qui ne sont plus cohérents et reviennent dans un état binaire.

Plusieurs entreprises peuvent produire des qubits en quantité ; cependant, les qubits de réserve peuvent être plus nombreux que ceux requis pour le calcul de l’algorithme.

La correction de pré-erreur pour le bruit et d’autres caractéristiques de qubit nuisibles qui obscurcissent les résultats de calcul consomment également des qubits. Ni la fourniture de qubits supplémentaires ni l’exécution de processus de correction de pré-erreur ne sont idéales, mais l’état de l’art peut désormais fournir suffisamment de qubits et de fidélité pour effectuer l’informatique quantique dans une mesure limitée, ce qui est une préoccupation de la Maison Blanche.

Des applications opérationnelles avec des algorithmes raccourcis peuvent être réalisées avant que la cohérence ne soit perdue. Cette approche, appelée “traitement évolutif”, exécute un ordinateur traditionnel à grande vitesse en tandem avec un dispositif quantique alloué à l’activité étroite et plus abrégée telle que le cryptage/décryptage et peut apporter des réponses à des questions auparavant impossibles à résoudre.

Le temps avant la décohérence est le facteur limitant de la profondeur de la réalisation informatique. Des progrès sont réalisés pour prolonger le temps de cohérence et les applications ultérieures. L’administration – mise en évidence par le récent décret exécutif – souhaite que toutes les agences gouvernementales, l’industrie et les entités commerciales soient conscientes des dangers et prennent des mesures pour empêcher la perte de données critiques.

Une autre application, la détection quantique, est disponible aujourd’hui. La sensibilité d’une particule quantique à toute force interagissant avec sa masse n’est peut-être pas une caractéristique souhaitée pour établir une cohérence à long terme, mais elle donne une application potentiellement intéressante : la détection quantique. L’extrême sensibilité d’un qubit en fait un instrument de mesure idéal, potentiellement beaucoup plus précis que les appareils de mesure conventionnels actuels.

Les capteurs quantiques peuvent détecter de légères variations dans les champs magnétiques et électriques, dans l’accélération/la rotation et dans de nombreuses autres applications. Toute amélioration de la navigation inertielle – réduisant ainsi la dépendance au GPS spatial – est significative et a de multiples utilisations, par exemple, dans la navigation sous-marine.

De plus, la sensibilité aux fluctuations d’un champ magnétique environnant peut permettre la détection de masses immergées telles que des dépôts de terre crue.

Le défi consiste à maintenir le capteur quantique isolé des autres perturbations qui équivalent à du bruit dans les données. Certains efforts ont permis à la détection quantique de devenir une application à court terme avec un niveau de préparation de haute technologie. L’impact potentiel des applications quantiques est si énorme que les États-Unis doivent commencer dès maintenant à faire avancer les applications opérationnelles ou se retrouver dans une poursuite technologique avec un adversaire potentiel.

En juillet 2020, la Maison Blanche a financé trois institutions, l’Université du Colorado, l’Université de l’Illinois et l’Université de Californie, en tant que centres d’innovation en science quantique. Chaque institut étudie un domaine différent d’application quantique. Un centre épique de recherche et développement quantique s’est rapidement développé à Boulder, dans le Colorado, autour de l’Université du Colorado.

La National Quantum Initiative n’a pas été le seul document présidentiel signé. En outre, un mémorandum de sécurité nationale a délégué à l’Institut national des normes et de la technologie l’obligation d’établir des normes cryptographiques résistantes quantiques. En collaboration avec l’industrie, les laboratoires de recherche et autres, une feuille de route pour renforcer le chiffrement sera élaborée.

La protection des données classifiées, de la propriété intellectuelle et des informations personnelles est la tâche impérative du gouvernement.

La recherche et le développement se poursuivront pendant des décennies, mais les applications sont désormais possibles. À ce jour, les scientifiques et les ingénieurs de recherche ont rythmé le développement, mais les victimes potentielles telles que les institutions financières et les organisations de défense et de recherche médicale ne peuvent plus rester sur la touche. Le moment est venu de s’impliquer et de contribuer à la dynamique des applications quantiques.

Tant de choses ont été accomplies au cours de la dernière décennie, mais nous ne sommes pas les seuls à progresser.

Ce qui est inquiétant, c’est que des gouvernements ayant des politiques contraires à la stabilité internationale, comme la Chine et la Russie, travaillent également sur la technologie quantique. Le vice-Premier ministre russe Dmitry Chernyshenko a déclaré que la technologie quantique était un facteur principal pour assurer le rôle de leadership international de la Russie. L’objectif déclaré de la Russie est un ordinateur quantique d’ici 2024. La poussée des applications de la technologie quantique est visible dans tous les instituts et gouvernements ; alors que la plupart soutiennent les intérêts de sécurité nationale des États-Unis, d’autres ne le sont pas.

Attendre que les défis soient surmontés n’est pas la réponse. Les institutions, la défense et l’industrie doivent être impliquées dans le passage des applications quantiques théoriques aux applications quantiques pratiques. Il incombe aux États-Unis de renforcer leur compréhension de la science et, par la suite, d’intégrer la technologie dans la vie quotidienne tout en préservant l’intégrité transactionnelle.

Col. de l’armée de l’air à la retraite. John C. Johnson est un ancien vice-président et directeur général de Northrop Grumman. Il peut être joint à jcjohn1931@gmail.com.


Les sujets: Les technologies émergentes

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