Une conversation avec Klaus Richter

A l'occasion de l'Année internationale des sciences et technologies quantiques (IYQ) 2025, la Chronique de l'ONU a posé une série de questions au professeur Klaus Richter, président de la Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG)/Société allemande de physique, concernant la nature de la physique quantique et ses bénéfices potentiels pour l'humanité. L'entretien qui en résulte vise à fournir à nos lecteurs des informations accessibles sur ce domaine hautement complexe du développement scientifique et technologique.

Entretien 

L'Année internationale des sciences et technologies quantiques (IYQ) vise à approfondir la compréhension des technologies quantiques, notamment de leur potentiel transformateur. Pourriez-vous, à titre d'information générale, expliquer ce qu'est la mécanique quantique et son importance ?

La mécanique classique décrit le monde macroscopique qui nous entoure, du mouvement des planètes aux boules de billard. Cependant, elle échoue dans le microcosme. La mécanique quantique est le cadre théorique de la physique quantique. Elle comble cette lacune aux plus petites échelles et décrit le comportement et l'interaction des molécules, des atomes et même des particules plus petites qui les composent. En physique classique, l'énergie varie continuellement. En physique quantique, en revanche, elle est limitée à des valeurs discrètes et croît par paliers. L'énergie est donc un multiple de « portions d'énergie » plus petites, les quanta.

La mécanique quantique a considérablement enrichi notre vision du monde et rendu accessible le cosmos atomistique : ce qui n'était au départ qu'une vague théorie en 1925 nous permet de comprendre la nature : pourquoi le soleil brille-t-il ? Qu'est-ce qui maintient les atomes ensemble ? Pourquoi certains éléments contribuent-ils au réchauffement climatique et d'autres non ? Pourquoi les objets sont-ils magnétiques ? Toutes ces expériences quotidiennes ne peuvent être expliquées que par la physique quantique.

De plus, la mécanique quantique a conduit à des avancées techniques révolutionnaires et fait désormais partie intégrante de notre quotidien : qu'il s'agisse des transistors comme composants de nos technologies intelligentes, comme les ordinateurs et les téléphones portables, des LED (diodes électroluminescentes) comme sources lumineuses économes en énergie, du positionnement et de la navigation (GPS), de la nouvelle définition du kilogramme, ou encore de l'imagerie par résonance magnétique comme outil essentiel au diagnostic médical, la mécanique quantique a un impact sur tous les domaines de la science, de la technologie, de la culture et de l'art.

Vous avez noté qu'« après 100 ans de succès en physique quantique, nous pourrions être à l'aube d'une deuxième révolution quantique ». Selon vous, quels seront les prochains impacts majeurs des progrès de la science et de la technologie quantiques sur nos vies ?

La « première révolution quantique », fondée sur les quanta d'énergie et la nature ondulatoire des particules quantiques, a débuté au milieu du XXe siècle. La « deuxième révolution quantique » a débuté au début du XXIe siècle. Elle repose sur la capacité croissante à contrôler entièrement le comportement quantique des constituants élémentaires tels que les photons ou les atomes. Ces avancées pourraient ouvrir la voie à notre réflexion future sur l'informatique, la mesure et l'information. Certains produits de la technologie quantique, comme les horloges atomiques, sont déjà opérationnels ; d'autres, comme l'informatique quantique, passeront du stade de la recherche aux premières applications commerciales. Grâce à de nouveaux algorithmes quantiques, les ordinateurs quantiques pourraient un jour s'attaquer à des problèmes inédits et extrêmement complexes. Les méthodes sophistiquées d'intrication , autre caractéristique de la « deuxième révolution quantique », pourraient donner naissance à une technologie de capteurs totalement nouvelle.

Je pense qu'il n'y a pas de limites à la créativité dans le domaine des applications quantiques. Les technologies quantiques du futur influenceront probablement à nouveau fortement notre monde. Mais nous ignorons tout simplement quand et sous quelle forme cela se produira dans un avenir lointain. À cet égard, l'évolution des technologies quantiques au cours des 100 dernières années pourrait nous donner une idée : dans les années 1950, des avancées telles que le laser ou la manipulation d'atomes uniques n'étaient tout simplement pas anticipées. Nous devrions avoir l'imagination nécessaire pour anticiper l'inattendu dans un avenir lointain.

Chaque jour, nous assistons au développement et à l'application rapides des big data et des systèmes d'intelligence artificielle (IA). Dans quelle mesure ces systèmes sont-ils déjà façonnés par la science et la technologie quantiques, et quels sont, selon vous, les risques et les opportunités de la physique quantique en IA (et vice versa) ?

Les développements mondiaux, rapides et révolutionnaires en cours dans les applications du big data, de l'IA et de l'apprentissage automatique ont été particulièrement stimulés par les avancées du calcul à haute performance  au cours de la dernière décennie. Les processeurs et leur fabrication reposent sur une technologie quantique de pointe, impliquant des matériaux semi-conducteurs et des lasers ultraviolets extrêmes (XUV). Par conséquent, l'essor de l'IA serait tout simplement impossible sans la mécanique quantique.

Les fondements de l'IA ont été posés en physique, et le big data était un sujet abordé en physique des particules, par exemple, bien avant d'acquérir l'importance qu'il a aujourd'hui. De nos jours, à l'inverse, les méthodes d'apprentissage automatique sont de plus en plus utilisées en recherche et développement en physique, et donc, bien sûr, pour concevoir de nouvelles technologies quantiques.

Nous observons de plus en plus l'imbrication croissante des méthodes d'IA, de physique quantique et d'informatique quantique. On trouve par exemple l'apprentissage automatique inspiré de la physique, ainsi que l'apprentissage automatique quantique, qui consiste à intégrer des algorithmes quantiques dans des programmes d'apprentissage automatique. L'interaction de ces deux méthodes en plein essor – algorithmes quantiques et IA – offre certes des synergies insoupçonnées. Cependant, la rapidité avec laquelle ce phénomène évolue comporte également des risques potentiels.

En tant que président de la Société allemande de physique (DPG), partenaire fondateur de l’IYQ, comment voyez-vous l’héritage des 100 dernières années de science quantique éclairer votre travail en faveur des objectifs de l’Année internationale ?

Il y a cent ans, Göttingen, en Allemagne, a joué un rôle central dans la création de la physique quantique telle que nous la connaissons aujourd'hui. En 1925, les lois fondamentales de la mécanique quantique y ont été formulées pour la première fois. Compte tenu de ce qui s'est passé à Göttingen, l'IYQ revêt donc une importance particulière pour la communauté des physiciens allemands. Au sein de la DPG, nous avons donc consacré toute l'année 2025 à la physique quantique ! Nous célébrons ses succès, mais nous nous concentrerons surtout sur les perspectives d'avenir de la mécanique quantique.

À cette fin, DPG propose un programme de sensibilisation complet tout au long de l'année, comprenant cinq axes thématiques : (i) la physique quantique dans la recherche et les technologies quantiques ; (ii) les quanta à l'école, jouer avec les quanta : les technologies quantiques modernes peuvent donner un nouvel élan à l'enseignement afin d'accroître la sensibilisation du public et une éducation large dans les sciences naturelles dans leur ensemble ; (iii) les quanta dans la musique, dans la philosophie, l'art, les films et la littérature ; (iv) les quanta dans le monde professionnel, la carrière et l'ouverture à la société ; et (v) le chemin vers le monde quantique moderne et au-delà.

La théorie quantique est l'une des plus grandes découvertes fondamentales de l'humanité sur le monde dans lequel nous vivons. Nous pouvons être enthousiastes, mais nous ne devons pas promettre trop d'avenir pour l’avenir  prévisible. DPG souligne l'importance capitale de la science quantique et prône la promotion effective d'une recherche solide et libre sur les fondamentaux de la physique quantique. Parallèlement, et dans le prolongement de l'héritage des 100 dernières années, la science est appelée à accompagner les nouveaux développements des technologies quantiques de manière responsable et au bénéfice de l'humanité, et à examiner attentivement leurs possibles impacts sociétaux. Cela implique également de faire preuve de transparence et d'informer la société des opportunités, mais aussi des risques potentiels. Historiquement, et accentué par la situation mondiale actuelle, le potentiel stratégique des technologies quantiques en matière de sécurité est également évident.

Vous avez souligné le rôle essentiel de la physique dans la nécessaire transition vers un approvisionnement énergétique sûr et sans énergie fossile. Quels sont vos espoirs et vos attentes quant au potentiel de la science et de la technologie quantiques pour résoudre la crise climatique ?

Parmi les grands défis mondiaux de notre époque, le changement climatique rapide figure sans conteste en tête de liste. Pour atténuer ce changement, la physique joue et jouera un rôle clé dans la nécessaire transformation de l'approvisionnement énergétique vers la défossilisation. Le photovoltaïque est un parfait exemple de physique quantique appliquée et a le potentiel de s'attaquer rapidement à la crise climatique, car le problème est urgent. Comme le prévoit l'Agence internationale de l'énergie, le taux de croissance du photovoltaïque au cours de la prochaine décennie dépassera largement celui de toutes les autres sources d'approvisionnement en énergie électrique. Et le photovoltaïque ne repose pas uniquement sur l'effet photoélectrique d'Einstein, découvert il y a plus de 100 ans : les panneaux solaires haute technologie actuels intègrent bien plus de technologies de panneaux quantiques et de semi-conducteurs. Cependant, la poursuite de la recherche et du développement dans les systèmes de stockage d'énergie et les réseaux électriques (intelligents) est également nécessaire pour une transition rapide et à grande échelle vers les énergies renouvelables et une gestion durable de l'énergie.

En outre, s’il est important que les technologies mentionnées soient développées à plein régime, il faut également garder à l’esprit la perspective à long terme.

Cela inclut les technologies basées sur la physique quantique pour la production d'énergie quasi sans combustibles fossiles, comme la fusion nucléaire. L'horizon de production commerciale d'électricité à grande échelle étant encore estimé à plusieurs décennies, les technologies de fusion nucléaire ne sont pas encore disponibles pour répondre à l'urgence de limiter le réchauffement climatique. Cependant, la recherche et le développement sur la fusion doivent continuer d'être promus et soutenus comme une option à long terme.

Les événements IYQ se déroulent partout dans le monde, facilitant le dialogue scientifique par-delà les frontières et les cultures et incitant les jeunes à contribuer à un nouveau siècle quantique. Quel est, selon vous, l'intérêt du multilatéralisme pour garantir la pérennité des connaissances et des investissements mondiaux dans les sciences quantiques et autres sciences ?

Je suis fermement convaincu que dans un monde caractérisé globalement par des tendances à la fragmentation au sein des sociétés et entre elles, la mise en réseau multilatérale de la communauté scientifique internationale est plus importante que jamais.

D'une part, la science quantique, avec ses possibilités fascinantes et son dynamisme perceptible à l'échelle mondiale, offre actuellement les conditions idéales pour renforcer la mise en réseau mondiale. À cet égard, les divers événements initiés et orchestrés par l'IYQ ont certainement un effet positif sur la construction d'une identité.

À l'occasion de l'IYQ, la DPG organise une série d'événements exceptionnels visant à favoriser les échanges internationaux en science quantique. Par exemple, le Ghana était le pays invité, avec un symposium de premier plan, lors de notre réunion annuelle de mars. De plus, cet automne, nous organisons une autre grande conférence internationale à Göttingen, berceau de la mécanique quantique, qui aborde tous les aspects de la physique quantique. D'ailleurs, fin juin, mon collègue Thomas Konrad (Université du KwaZulu-Natal, Durban, Afrique du Sud), soutenu par plusieurs collègues de la DPG, organise une conférence intitulée « Sciences et technologies quantiques en Afrique », visant à développer un réseau quantique panafricain.

D'autre part, le développement rapide des technologies quantiques comporte également le risque de nouvelles dépendances mondiales. Lorsqu'on parle de souveraineté numérique , cela devrait certainement s'appliquer également aux technologies quantiques.

À quoi ressemble le métier de physicien de la matière condensée ? Quel est l'impact de votre travail sur votre vision et votre façon d'évoluer dans le monde, et quels sont vos projets de recherche ?

Entre les deux extrêmes physiques, le microcosme des particules élémentaires et le macrocosme de l'astrophysique, se trouve un monde fascinant et multicouche : celui de la matière condensée. À première vue, la matière nous paraît familière, car elle est visible tout autour de nous. Mais pour comprendre pourquoi la matière et les matériaux sont ce qu'ils sont, et en particulier comment de nouvelles propriétés fascinantes des matériaux peuvent être adaptées au XXIe siècle et permettre le développement de nouvelles technologies, la physique quantique joue à nouveau un rôle crucial.

Dans nos recherches, nous étudions d'une part des matériaux ultra-minces composés de quelques couches atomiques, que l'on peut imaginer empilées comme des briques Lego. Le courant électrique dans ces matériaux quantiques est dominé par les effets quantiques, et nous calculons comment les exploiter intelligemment dans les futurs composants électroniques. De plus, nous étudions le contrôle quantique, c'est-à-dire comment stabiliser, commuter et contrôler des objets de mécanique quantique, notamment en ce qui concerne le fonctionnement des futurs dispositifs informatiques quantiques.

Ainsi, en tant que physicien de la matière condensée, la physique quantique est mon quotidien : dans mes cours et mes recherches, dans mes échanges quotidiens avec mes collègues et les membres de mon groupe. En un sens, nous, physiciens quantiques, évoluons dans une sphère hybride : le monde quantique, avec ses phénomènes contre-intuitifs, et le monde ordinaire et classique de notre environnement.
 

La Chronique de l’ONU souhaite remercier le professeur Dr. Richter pour avoir partagé ses connaissances d’expert sur la science quantique et son importance mondiale croissante.

Cet article a été publié avec l'aide de la traduction automatique ; des efforts raisonnables ont été faits pour en assurer l’exactitude. L'Organisation des Nations Unies n’est pas responsable des traductions incorrectes ou inexactes ou d'autres problèmes pouvant résulter de la traduction automatique. Si des questions se posent quant à l'exactitude des informations contenues dans cette traduction, veuillez-vous référer à la version anglaise originale de l'article.