Les milieux universitaire et commercial ont tendance à se conformer aux lois de la physique classique — on est dans l’un ou l’autre, mais non dans les deux en même temps. Mais depuis 8 mois, le physicien théoricien Florian Hopfmueller est en état de superposition, étant à la fois doctorant à l’Institut Périmètre et spécialiste de l’apprentissage par renforcement chez 1QBit, jeune pousse d’informatique quantique créée à Vancouver en 2012.

À l’Institut Périmètre, M. Hopfmueller poursuit des recherches en gravitation quantique, domaine qui cherche à concilier la relativité générale et la mécanique quantique. Chez 1QBit, il travaille à amalgamer l'intelligence artificielle et l’informatique quantique, afin de créer des applications concrètes utiles.

Même s’ils sont tous deux de nature profondément scientifique, ces rôles sont bien différents — en particulier quant à leur but ultime. Comme physicien théoricien, M. Hopfmueller étudie le comportement de la gravité dans des endroits étranges comme l’horizon des événements qui entoure un trou noir. Comme spécialiste de l’apprentissage par renforcement, il utilise l’apprentissage automatique afin d’entraîner des ordinateurs quantiques pour le compte de clients commerciaux.

Cette superposition résulte d’un choix conscient de viser au-delà d’une trajectoire de carrière traditionnelle et d’acquérir les compétences requises pour travailler en dehors du milieu universitaire.

« Il m’est apparu clairement que je ne voulais pas faire une carrière universitaire, dit-il. J’ai décidé de m’orienter vers autre chose. J’ai alors commencé à apprivoiser certaines techniques d’apprentissage automatique et d’intelligence artificielle, et je les utilise maintenant chez 1QBit. »

Alors qu’il étendait son champ de compétence, Florian Hopfmueller a demandé de l’aide pour trouver des ouvertures dans l’industrie. Il a obtenu un stage grâce à Mitacs, organisme canadien qui établit des liens entre doctorants et entreprises, et grâce à un contact avec 1QBit par l’intermédiaire d’un ami proche.

Les ordinateurs quantiques peuvent résoudre de nombreux types de problèmes qui sont effectivement hors de portée des ordinateurs classiques même les plus puissants. Plutôt qu’un progrès de la puissance de calcul brute, ils représentent un saut qualitatif fondamental dans le traitement de l’information.

Le secret de cette capacité réside dans l’exploitation de certaines propriétés étranges de la mécanique quantique — les règles qui régissent le comportement physique à l’échelle subatomique — selon lesquelles, par exemple, une particule peut être simultanément à 2 endroits ou dans 2 états. La maîtrise de ces propriétés, ainsi que l’exploitation d’autres aspects contre-intuitifs du monde quantique, permettent à un ordinateur quantique relativement simple d’effectuer certains types de calculs qui semblaient autrefois insurmontables.

Ce n’est que récemment que l’informatique quantique est devenue commercialement viable : à la fin de 2019, le magazine Nature a décrit l’investissement croissant de fonds privés dans de jeunes entreprises de physique quantique comme le signe d’une nouvelle « ruée vers l’or ».

Même si la relation entre la physique classique et la physique quantique fait encore l’objet de recherches fondamentales, des entreprises comme 1QBit mettent à profit ce qui a déjà été découvert. En utilisant une combinaison de techniques classiques et quantiques de calcul, l’entreprise relève des défis très complexes en génie, en physique, en chimie et en développement de logiciel.

M. Hopfmueller a terminé son stage en août 2020, mais il continue de travailler à temps partiel pour 1QBit tout en terminant son doctorat à l’Institut Périmètre. Son travail chez 1QBit porte principalement sur ce que l’on appelle des ordinateurs quantiques bruyants de taille intermédiaire (en abrégé NISQ pour noisy intermediate scale quantum). Les appareils NISQ sont très imparfaits, mais ils correspondent essentiellement à l’état d’avancement actuel de l’informatique quantique.

« Les appareils NISQ constituent probablement pour les 10 prochaines années le matériel qui sera disponible, dit M. Hopfmueller. Ils n’ont pas beaucoup de qubits, et leur niveau de bruit se traduit par un taux d’erreur trop élevé pour certaines applications. » (Un qubit est dans un ordinateur quantique ce qu’est un bit dans un ordinateur classique : l’unité fondamentale de traitement de l’information.)

Florian Hopfmueller ne travaille pas à améliorer les ordinateurs quantiques eux-mêmes, mais plutôt à les utiliser d’une manière plus efficace. Il se trouve que l’apprentissage automatique — branche très prometteuse de l’intelligence artificielle — colle bien à la nature probabiliste de l’informatique quantique. Un algorithme d’apprentissage automatique précise ses hypothèses et ses calculs avec le temps, faisant appel à un processus itératif qui peut contourner les limites de bruit et de puissance des ordinateurs NISQ.

Le scientifique travaille à combiner des appareils NISQ non seulement avec l’apprentissage automatique, mais aussi avec d’autres composantes et techniques de calcul qui font appel à la fois à l’informatique classique et à l’informatique quantique.

« Si on le fait comme il faut, dit-il, on peut espérer mettre à profit les forces d’un ordinateur NISQ tout en étant moins affecté par ses faiblesses. Comment peut-on tirer le maximum de ce genre d’appareil? Je travaille sur des techniques qui améliorent les performances pour une grande variété d’applications. »

Depuis le début de sa carrière, M. Hopfmueller est coincé entre la recherche mue par la curiosité et les solutions pratiques.

« J’ai étudié en génie mécanique pendant un an, puis j’ai commencé des études de 1^er cycle en Allemagne, dit-il. Mon intention était de construire quelque chose de pratique. Mais la curiosité m’a ensuite entraîné vers la physique. »

Pendant un certain temps, il s’est concentré sur la recherche fondamentale. Il est venu à l’Institut Périmètre pour faire une maîtrise, puis a poursuivi dans le programme de doctorat. Il a remporté une très prestigieuse bourse d'études supérieures du Canada Vanier, accordée non seulement pour l’excellence universitaire, mais aussi pour les compétences en leadership social.

Pendant ses études de 1^er cycle, M. Hopfmueller a été secrétaire d’une section locale de Technologie sans frontières, qui offre un accès communautaire plus équitable à la technologie. Il a aussi dirigé un projet pour aider un hôpital du Ghana à construire un incinérateur afin de brûler des déchets médicaux en toute sécurité.

Pendant ses études de doctorat, il s’est joint au comité des étudiants diplômés de l’Institut Périmètre et a agi comme bénévole à titre d’assistant d’enseignement à l’Institut africain de sciences mathématiques au Rwanda et à titre de professeur de violon à l’école communautaire de musique de la Région de Waterloo.

Il est continuellement partagé entre son enthousiasme pour la recherche mue par la curiosité et son désir d’avoir un impact plus tangible et immédiat.

La transition de la recherche universitaire en physique théorique au milieu d’entreprise de 1QBit a exigé l’acquisition de nouvelles compétences et l’obtention d’un soutien logistique. Bien plus, le scientifique a dû franchir un fossé culturel.

« Les structures sont bien davantage définies dans l’industrie, dit-il. Cela a des avantages et des inconvénients, tout comme la liberté de la recherche mue par la curiosité dans un contexte universitaire. »

Ce ne sont pas tous les chercheurs qui seraient à l’aise de faire une telle transition, mais dans une industrie d’une nature aussi scientifique que l’informatique quantique, M. Hopfmueller a constaté que certaines aptitudes importantes ont bien leur place.

« Les études de doctorat m’ont donné la capacité à avoir une vision globale, dit-il, à considérer une idée et à l’évaluer à son mérite, sans trop tenir à ce qu’elle réussisse si elle n’est pas bonne. » Cela est très utile dans un domaine comme l’informatique quantique, où des hypothèses en apparence fondamentales et des avenues supposément prometteuses doivent régulièrement être mises de côté.

Comme toute superposition, celle de Florian Hopfmueller va finir par se résoudre en un état unique bien défini. Lorsqu’il aura terminé son doctorat, il compte poursuivre sa carrière dans l’industrie, quoique dans un rôle où il pourra continuer de faire des découvertes tout en construisant et en améliorant des outils pratiques.

« J’aime le défi de comprendre et de trouver de nouvelles idées scientifiques », dit-il.