Dans son activité, notamment au sein de la R&D, EDF a recours à de nombreux modèles informatiques très complexes, donc gourmands en temps de calcul. C‘est le cas, par exemple, de l'optimisation de la gestion de la recharge de véhicules électriques, des études probabilistes de sûreté nucléaire, de la simulation de matériaux pour étudier leur vieillissement ou encore de l'amélioration des techniques de machine learning.

Depuis 2018, les capacités de calcul démultipliées que promet l'informatique quantique font donc l'objet d'une veille active et ont donné lieu à de nombreux partenariats au sein de l'écosystème bouillonnant du quantique.

Le projet Informatique et Technologies Quantiques (2020-2024) permet à EDF d'identifier toutes les possibilités du calcul quantique et de les décliner pour ses besoins. Il a aussi pour but de veiller à la menace que fait planer l'informatique quantique sur la cryptographie : les algorithmes actuels de type RSA ou courbes elliptiques* ne résisteront pas aux puissances de calcul quantique !

De la physique quantique à l'informatique quantique

À l'échelle de l'atome règnent les lois très particulières de la « physique quantique ». Ces lois sont très différentes de celles de la « physique classique » que nous observons au quotidien. Elles ont été mises en équation par Paul Dirac et Richard Feynman (tous deux Prix Nobel) et de nombreux grands physiciens depuis le début du 20e siècle. Mais ce n'est qu'il y a une trentaine d'années qu'est née l'idée d'exploiter les propriétés quantiques de la matière pour traiter des informations, et bien plus récemment encore que l'on commence à se dire que cela pourrait devenir une réalité !

MAIS CONCRETEMENT C'EST QUOI LE QUANTIQUE ?

Pour l'informatique, deux propriétés quantiques recèlent une promesse de pulvériser tous les records de vitesse de calcul et de transmission des informations : la superposition des états et l'intrication (une intime interconnexion, qui se conserve avec la distance à condition de ne pas être perturbée par les conditions extérieures). Ainsi, si chaque bit physique d'un ordinateur classique ne peut prendre que les valeurs 0 ou 1, un qubit (quantum bit), lui, prend ces deux valeurs « en même temps », par superposition des états. Un système de n qubits se trouvera à un instant donné dans une superposition de 2ⁿ états de base (et non plus dans un seul de ces 2ⁿ états comme le serait un registre de n bits classiques). Une différence qui donne vite le tournis : il suffit de 8 qubits pour encoder une superposition des 256 valeurs prises par un octet classique, tandis que 300 qubits encodent autant de valeurs qu'il y a d'atomes présents dans l'Univers visible !
 

En agissant sur les qubits via des « portes quantiques », à l'image des opérateurs logiques (AND, OR, NOR...) que l'on trouve dans nos ordinateurs, on peut manipuler et modifier tous les états quantiques simultanément : un « parallélisme quantique » qui n'a pas d'équivalent en informatique classique... et qui rend accessible des calculs inenvisageables avec les meilleurs supercalculateurs.

LE QUANTIQUE, UN AVENIR PROMETTEUR ?

Des défis encore nombreux

Sur le papier, les possibilités de l'informatique quantique sont vertigineuses, mais encore faut-il la mettre en œuvre ! Quels éléments utiliser pour constituer des qubits ? Comment les lier, les isoler des perturbations extérieures, leur faire faire les opérations logiques désirées ? Et comment lire les résultats ? Autant de questions au centre des recherches de centaines de laboratoires et entreprises dans le monde, et notamment en France.

Pour l'instant, différentes pistes sont étudiées, basées sur l'utilisation de différents objets physiques en tant que qubits. Les principales technologies actuelles reposent sur des supraconducteurs, des spins d'électrons, des atomes froids, des ions piégés ou des photons et fonctionnent pour la plupart à très basse température.

Toutes font face à des problèmes très concrets de mise en œuvre car les systèmes quantiques sont extrêmement sensibles à leur environnement. Toute vibration, rayonnement, variation de température… provoque une décohérence qui projette le système dans un état aléatoire : l'information est immédiatement et définitivement perdue, ce qui induit des erreurs. Pour y « faire tourner » des algorithmes complexes, les physiciens cherchent actuellement à faire cohabiter un nombre suffisant de qubits et à les manipuler.

A ce jour, les meilleurs prototypes comptent environ 50 qubits opérationnels mais il en faut plusieurs centaines pour commencer à faire des calculs intéressants. Sans compter qu'aux qubits logiques exploitables pour le calcul s'ajoutent des qubits supplémentaires pour corriger les erreurs. Ainsi, le stade actuel de développement de l'informatique quantique est désigné par l'acronyme NISQ pour « Noizy Intermediate Scale Quantum computing » c'est-à-dire « Informatique quantique bruitée et de taille intermédiaire ».

Quand saura-t-on isoler un calculateur quantique de son environnement assez longtemps pour qu'il ait eu le temps de faire un calcul massif ? Nul ne sait le dire mais c'est de l'ordre de quelques années.

Néanmoins, pour commencer à programmer des algorithmes quantiques – fondamentalement différents de leurs homologues classiques –, il existe déjà des « simulateurs quantiques » qui permettent de réaliser de premiers tests. Au-delà du hardware et du software quantiques, il s'agit de « s'approprier » ses possibilités pour les applications métier : c'est ce que fait la R&D d'EDF.

* Les chiffrements RSA et à courbe elliptique sont des algorithmes de cryptographie très utilisés pour échanger des données confidentielles sur Internet.

Docteur en informatique de l'Université Pierre et Marie Curie de Paris, Marc Porcheron a rejoint la R&D d'EDF en 1991. Aujourd'hui ingénieur-chercheur senior et directeur de recherches, il pilote le projet Informatique et Technologies Quantiques qui permettra à EDF d'identifier toutes les possibilités de l'informatique quantique et de les décliner pour ses besoins.

En quoi consiste le projet Informatique et Technologies Quantiques pour EDF ?

Il s'agit à la fois d'un travail de veille sur l'avancée des technologies quantiques et de recherches pour explorer comment elles pourront s'intégrer à nos solutions de calcul haute performance. Nous suivons donc tous les aspects du quantique : l'évolution des différents systèmes physiques susceptibles de réaliser les qubits et d'être mis en œuvre au sein d'un calculateur quantique, les outils mathématiques et informatiques spécifiques qui y sont liés et les moyens de les intégrer à nos besoins concrets de calcul. C'est un projet d'envergure qui a une particularité : personne ne sait quand des calculateurs quantiques assez puissants et stables pour des applications comme les nôtres verront le jour... mais on peut être raisonnablement optimiste sur le fait qu'ils verront effectivement le jour et EDF, en tant que grand industriel, doit se préparer à leur arrivée.

Quel est votre parcours professionnel ?

Je conduis des recherches en informatique dans les laboratoires d'EDF depuis 30 ans, sur des sujets qui ont couvert l'informatique théorique, l'optimisation mathématique, l'intelligence artificielle... Mais, finalement, tout cela tourne autour de la même problématique : la limite des moyens de calcul pour résoudre un problème complexe en obtenant un résultat exact le plus rapidement possible. Au départ, je « suivais de loin » - mais avec grand intérêt - ce qui émergeait du côté du quantique. En 2016, le bouillonnement autour de l'informatique quantique est devenu tel que je me suis vraiment penché sur ses possibilités pour la R&D d'EDF. J'ai donc intégré cette veille à mes travaux et, finalement, cela a conduit à ce projet de veille et de prospectives sur la période 2020-2024.

Comment travaille-t-on sur les possibilités d'une technologie aussi incertaine que l'informatique quantique ?

La R&D d'EDF doit être à la pointe de l'innovation dans le calcul haute performance. Or l'informatique quantique offre des possibilités incroyables ! Si ses promesses se confirment, elles auront des conséquences importantes. EDF a donc mis des moyens financiers et humains pour s'y préparer. Aujourd'hui, il existe déjà des simulateurs quantiques mais les possibilités des calculateurs sont encore très limitées. Aurons-nous un jour des calculateurs quantiques avantageux en performance et/ou en consommation énergétique rapport à nos moyens de calcul actuels ? Nous sommes désormais aux premières loges pour le savoir grâce à nos nombreuses implications dans l'écosystème français et européen des technologies quantiques. Quand l'informatique quantique sera à l'ordre du jour, nous serons prêts.