Si l'on ne dispose pas encore d’une véritable technologie d’ordinateur quantique, qui permettrait d'exploiter toute la puissance du calcul quantique, de nombreuses routes sont néanmoins explorées aujourd’hui. Toutes font encore face à des difficultés sans solution viable. Mais l’histoire du domaine a montré que des verrous considérés comme infranchissables finissaient par être levés. C’est pourquoi la recherche mondiale est plus active que jamais et les annonces publiques se multiplient, dans le cadre de ce qui est appelé aujourd’hui la "deuxième révolution quantique".
Le calcul quantique ambitionne d'utiliser les propriétés quantiques ultimes de la matière (la superposition, l'intrication et la non-localité) pour effectuer massivement des opérations sur des données grâce à l'ordinateur quantique. Il permettrait de ce fait de dépasser très largement les capacités offertes par les ordinateurs classiques.
LES QUBITS, AU COEUR DU CALCUL QUANTIQUE
Le calcul quantique s’appuie sur des qubits, pendants quantiques des bits classiques. D’un point de vue physique, les qubits sont des systèmes matériels pouvant être mis dans deux états quantiques distincts. Conformément aux lois de la physique quantique, le qubit peut être placé dans un ensemble continu de superpositions de ses deux états de base, contrairement au bit classique qui ne peut prendre que deux valeurs (0 ou 1).
Comme les bits classiques, les qubits peuvent être utilisés pour encoder une information et soumis à des portes quantiques (équivalents des portes logiques).
un bit quantique ?
Dans un ordinateur classique, l’information est stockée dans un ensemble (registre) de cases mémoires, les bits, dont la valeur est soit 0, soit 1. Un bit quantique (qubit) a, quant à lui, deux états quantiques |0> et |1>, séparés par une différence d’énergie définissant sa fréquence (fQB), et peut être à la fois dans ces deux états. Au cours d’un algorithme (succession d'opérations dites « portes logiques »), le registre de qubits se trouve dans une superposition quantique de tous ses états possibles (|00...0>, |10...0>, |11...1>, |10...1>), permettant un calcul massivement parallèle.
Le fonctionnement d'un ordinateur quantique
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Comment fonctionne un ordinateur quantique ?
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Atouts et difficultés de la recherche sur le calcul quantique
La promesse d’un parallélisme massif
Grâce à ses propriétés quantiques (superposition et intrication), un registre de N qubits se trouve à un instant donné dans une superposition de ses 2N configurations de base. Un registre de N bits ne peut, lui, se trouver que dans une seule d’entre elles à la fois.
Toute opération appliquée à un registre de N qubits s'effectuerait donc en parallèle sur les 2N états, là où un ordinateur classique doit traiter l’opération de façon séquentielle. Ce parallélisme massif ouvre des horizons extrêmement prometteurs, laissant espérer une résolution beaucoup plus rapide de certains problèmes ou l’identification d’une solution à des problèmes aujourd’hui insolubles.
L'intrication quantique
L’intrication quantique est un phénomène dans lequel deux particules (ou groupes de particules) forment un système unique, et présentent des états quantiques dépendant l'un de l'autre quelle que soit la distance qui les sépare.
Décohérence et correction d’erreurs
De très nombreux obstacles physiques et technologiques se dressent toutefois sur la route du calcul quantique, à commencer par la fragilité de l’état de superposition qui lui est nécessaire. Toute interaction, aussi minime soit-elle, avec l’extérieur (que ce soit par le biais d’interactions environnementales ou de mesures effectuées sur le système) a pour effet de détruire la superposition quantique : c’est la décohérence. La difficulté s’aggrave à mesure que le nombre de qubits intriqués augmente : le temps de cohérence d’un état intriqué de N qubits est en effet environ N fois plus court que celui d’un seul qubit.
Or, les interactions avec l’environnement ne peuvent par ailleurs être réduites à zéro, car elles sont nécessaires pour appliquer des opérations logiques sur les qubits et en effectuer la lecture. En pratique, il faut donc corriger les erreurs.
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Les bases de la physique quantique
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L'histoire de l'ordinateur quantique
Au début des années 1980, le Nobel de physique Richard Feynman est le premier à pressentir les possibilités faramineuses d’un ordinateur capable de tirer parti des lois quantiques.
Dès les années 1990, plusieurs théoriciens démontrent que certains calculs verraient leur résolution accélérée dans des proportions inouïes s’il était possible de les implémenter sur des bits quantiques, aussi appelés qubits, plutôt que sur des bits classiques. À condition, bien sûr, de disposer d’un processeur quantique pour les utiliser, processeur dont personne ne sait à l’époque à quoi il pourrait ressembler.
* Télécharger l'infographie sur un processeur quantique élémentaire
Molécules en phase liquide, ions piégés par des faisceaux laser, impureté dans les solides… les idées commencent à fuser dans les laboratoires de physique pour définir ce qui pourrait devenir les briques de base d’un futur ordinateur quantique, à l’instar des transistors de la microélectronique classique.
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L'histoire de l'ordinateur et de la physique quantique
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QUELS SONT LES ENJEUX DE LA RECHERCHE SUR LE CALCUL ET L'ORDINATEUR QUANTIQUES ?
Au XXe siècle, la mise au jour de la physique quantique a révolutionné notre conception du monde mais aussi notre mode de vie avec ses applications : lasers, transistors, circuits intégrés.
Une deuxième révolution quantique advient à l’aube du XXIe siècle. Elle regroupe des recherches visant à concevoir et à réaliser des dispositifs de rupture qui exploitent les phénomènes physiques de la superposition et de l’intrication quantique. C’est un domaine en pleine expansion avec de très forts enjeux scientifiques et technologiques. En particulier, la réalisation d’un ordinateur quantique, dont le calcul est intrinsèquement parallèle et permet de traiter en un temps très réduit de grandes quantités d’information, avec des performances inaccessibles au calcul classique, permettrait des approches révolutionnaires pour résoudre certaines classes de problèmes. Parmi les applications possibles :
* La chimie : simuler, in silico, de manière exacte, la structure et le fonctionnement de grosses molécules d’intérêt pour la pharmacologie ou pour l’agronomie. Avec les plus puissants ordinateurs actuels, il est possible de simuler des petites molécules mais il est souvent nécessaire de recourir à de fortes approximations dès que la taille du système étudié augmente.
* Le Data mining : Accélérer la recherche d’une information spécifique dans une vaste base de données.
* L’optimisation de procédés de l’industrie du futur : trouver une solution optimale dans un système complexe multiparamétrique, comme par exemple la tournée la plus rapide d’un camion de livraison ou ajuster l’offre à la demande sur un réseau électrique très décentralisé.
* L’intelligence artificielle : au cours de la phase d’apprentissage d’un système d’IA, telle qu’une reconnaissance d’images, les informations pourraient être simultanément reconnues et non de façon séquentielle comme c’est le cas avec des processeurs classiques (examiner une situation, puis une autre, etc.).
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OÙ EN EST LA RECHERCHE DANS LE DOMAINE DU CALCUL QUANTIQUE ?
La recherche fondamentale dans le domaine de l'information quantique a connu un essor important cette dernière décennie. Les enjeux dans ce domaine et la rupture technologique que présenterait un ordinateur quantique ont incité de grandes entreprises à investir d'importants moyens, en s'associant à des communautés scientifiques, ou en créant leurs propres laboratoires de recherche.
L'association de Google avec l'Université de Californie de Santa Barbara ou la collaboration annoncée sur dix ans du groupe lntel avec l'université technologique de Delft illustrent l'engouement pour cette thématique de recherche et la nécessité de construire un véritable partenariat public-privé sur le long terme. Atos-Bull, leader européen du calcul intensif, s'est aussi positionné activement sur la feuille de route de l'ordinateur quantique en réalisant un émulateur d'ordinateur quantique intégrant finement mémoire et calcul dans un serveur classique optimisé, et en créant une équipe spécialisée en logiciel adapté au quantique.
4 pistes de qubits en compétition dans le monde
Actuellement, 4 types de qubits sont à l’étude dans le monde : le qubit supraconducteur, le qubit silicium, le qubit à ions piégés et le qubit photonique.
* Le qubit supraconducteur est pour le moment la technologie la plus avancée. Il correspond à l’état d’un courant supraconducteur qui traverse une barrière très fine grâce à l’effet Josephson (c’est-à-dire l’apparition d’un courant entre deux matériaux supraconducteurs séparés par une couche d’un matériau non supraconducteur). L’objectif est de créer, à très basse température, une superposition de deux états distincts d’un courant qui oscille à haute fréquence et traverse la barrière en une boucle supraconductrice. Cette technique est utilisée notamment par IBM, Google, Intel, D-Wave et le CEA.
* Le qubit silicium, utilise, également à très basse température, la superposition (provoquée par un champ magnétique) du spin (une propriété quantique des particules qui n’a pas d’équivalent en physique classique) d’un électron. De petite taille (généralement 30 nanomètres), les qubits silicium pourraient ainsi être intégrés par millions voire milliards sur une même puce. Ils sont en outre compatibles avec les technologies CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor : technologie de fabrication des composants électroniques), largement utilisées dans l’industrie microélectronique, ce qui leur donne un avantage compétitif pour la production en série. Cette approche est développée notamment par Intel et le CEA.
* Le qubit à ions piégés correspond à des orientations magnétiques d’ions, généralement de calcium, maintenus sous vide. Il fonctionne lui aussi à très basse température. Un laser sert à la mesure et exploite le phénomène de fluorescence des ions excités par le laser. Le magnétisme est utilisé pour l’activation des portes quantiques (qui sont les briques élémentaires d’un circuit quantique, fonctionnant sur quelques qubits). Certes difficilement industrialisables, les ions piégés peuvent s’intriquer plus librement et donc résoudre des calculs complexes plus facilement.
* Enfin, le qubit photonique est, quant à lui, codé sur de nombreux paramètres indépendants servant à décrire l’état d’un photon (aussi appelés degrés de liberté) : polarisation, couleur, forme spatiale ou temporelle. Les portes quantiques sont réalisées à l’aide de dispositifs optiques avec des filtres à deux couleurs ou polarisants. Il faut un grand nombre de lasers pour piloter l’ensemble, ce qui est contraignant. L’avantage de cette option est que ces qubits fonctionnent à température ambiante.
Une accélération mondiale et un grand nombre d’initiatives publiques et privées
Plusieurs actions majeures à l'étranger (Etats-Unis, Royaume-Uni, Pays-Bas, Danemark) impliquent dès aujourd'hui de très grands industriels (Google, Intel…) et mobilisent des financements de plusieurs dizaines de millions d'euros.
Au niveau européen, un flagship sur l'ingénierie quantique a été décidé en 2016 et a démarré en 2018 avec l'ambition d'amener les technologies quantiques sur le marché. Le financement annoncé est d'au moins un milliard d'euros, apporté par la Commission européenne et les Etats membres sur dix ans.
A l'échelle nationale, Emmanuel Macron a présenté le 21 janvier 2021 le Plan quantique français, dont le Programme et équipements prioritaires de recherche dédié est coordonné par le CEA, le CNRS et l'INRIA.
Un grand nombre de voies à explorer pour espérer lever les verrous conceptuels et technologiques
Un grand nombre de voies de réalisation physique est développé en parallèle. Aucun consensus ni aucun argumentaire robuste n’existe aujourd’hui sur la solution la plus adaptée pour réaliser un ordinateur quantique comprenant plus d’une dizaine de qubits. Tous les systèmes étudiés jusqu’à présent se sont en effet heurtés aux problèmes de décohérence et de complexité rapidement croissante des dispositifs quand le nombre de qubits augmente : le temps de cohérence d’un état intriqué de N qubits est en effet environ N fois plus court que celui d’un seul qubit.
Or, les interactions avec l’environnement ne peuvent par ailleurs être réduites à zéro, car elles sont nécessaires pour appliquer des opérations logiques sur les qubits et en effectuer la lecture. En pratique, il faut donc corriger les erreurs. La seule architecture connue pour ce faire, appelée « code de surface », demande un très grand nombre de qubits physiques par qubit logique.
Ce problème de la correction d’erreurs est donc plus qu’ardu car ses difficultés sont d’ordre à la fois conceptuel et technologique, liant degrés de liberté, interactions, complexité, méthode d’adressage, méthode de mesure, décohérence. A ces questions s’ajoute la vaste problématique de l’algorithmique et de son implémentation pratique dans une architecture donnée (traitement des erreurs, langage de programmation…).
Notions clés
* Le bit quantique ou qubit est l'unité élémentaire pouvant porter une information quantique. Comme le 1 et le 0 sont les deux états d'un bit classique ordinaire, un qubit est la superposition cohérente d'au moins deux états de base quantiques, que l'on peut noter |0> et |1>.
* Au XXe siècle, la mise au jour de la physique quantique a révolutionné notre conception du monde mais aussi notre mode de vie avec ses applications : lasers, transistors, circuits intégrés.
* Une deuxième révolution quantique advient à l’aube du XXIe siècle. Elle regroupe des recherches visant à concevoir et à réaliser des dispositifs de rupture qui exploitent les phénomènes physiques de la superposition et de l’intrication quantique.
La campagne de collisions d’ions lourds du LHC a commencé
La campagne de collisions d’ions lourds du LHC a commencé
Durant 17 jours, les équipes recueilleront le maximum de données de collisions plomb-plomb
6 NOVEMBRE, 2024 | Par Chetna Krishna
Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) est semblable à une cuisine ultramoderne, imaginée pour cuisiner les recettes les plus rares et les plus succulentes de l’Univers, telles que le plasma de quarks et de gluons, un état de la matière qui prévalait juste après le Big Bang. Bien que le LHC fasse principalement entrer en collision des protons, une fois par an, des collisions ont lieu entre ions lourds, tels que des noyaux de plomb, un ingrédient essentiel pour préparer cette soupe primordiale.
Le 6 novembre, à 11 h 13, une nouvelle campagne d’exploitation avec ions lourds a débuté au LHC, faisant entrer en collision des ions plomb, qui contiennent 208 nucléons (82 protons et 126 neutrons), à l’énergie de 5,36 TeV par paire de nucléons.
La campagne avec ions lourds durera près de trois semaines, permettant ainsi aux scientifiques de recueillir suffisamment de données pour plusieurs années d’analyse, afin de tenter de comprendre les premiers moments de l’Univers.
Les spécialistes de la physique des accélérateurs du Centre de contrôle du CERN se préparent également à augmenter la performance en termes de luminosité de la machine par rapport à l’année dernière.
« Nous avons pour but de produire au moins 30 % de collisions supplémentaires par jour par rapport à 2023 », explique Roderik Bruce, physicien spécialiste des accélérateurs et coordinateur du LHC pour le programme d’ions lourds au CERN.
Pour cette campagne, les équipes ont consolidé des concepts innovants mis en place l’année dernière, tels que la collimation avec des cristaux et un nouveau système d’injection de faisceaux, avec un espacement plus court entre les paquets ; on peut ainsi concentrer davantage d’ions plomb dans un faisceau pour que les collisions génèrent davantage de données de physique.
L’expérience ALICE du CERN est consacrée à la physique des ions lourds auprès du LHC. Son détecteur, spécialement construit pour les mesures avec des ions lourds, a été amélioré lors du dernier long arrêt afin de pouvoir accumuler et stocker bien plus de collisions qu’auparavant. Cette année, l’objectif est de doubler le volume total de données recueillies depuis le début de la troisième période d’exploitation du LHC.
« Nous avons hâte de recueillir les grands échantillons de données que cette campagne promet de nous livrer. Nous devrions pouvoir ainsi effectuer une première mesure directe de la température du plasma quarks-gluons et étudier ses autres propriétés avec une précision sans précédent », rapporte Marco van Leeuwen, porte-parole de l’expérience ALICE.
Les autres expériences du LHC ont également optimisé leurs détecteurs et leur capacité d’acquisition de données afin de tirer le meilleur parti de cette campagne avec ions lourds.
La vitesse d’acquisition de données du détecteur CMS a été portée de 20 à 30 gigaoctets par seconde, ce qui signifie qu’il n’a plus à filtrer les données lors de la campagne d’exploitation avec ions lourds.
De même, le détecteur ATLAS est à présent entièrement adapté aux nouveaux systèmes d’acquisition de données, ce qui améliore grandement son système de déclenchement pour les jets de particules et les leptons. Ses stratégies de déclenchement ont en outre été affinées pour les collisions ultrapériphériques, qui se produisent lorsque deux ions lourds passent très proche l’un de l’autre, sans entrer en collision de manière frontale. Des études de physique peuvent ainsi être réalisées dans des champs électromagnétiques d’une extrême intensité.
Le détecteur LHCb enregistrera les données des collisions plomb-plomb avec une luminosité instantanée 70 % supérieure à celle de l’année dernière, ce qui lui permet de recueillir un grand volume de données et d’étudier des processus rares, tels que la production d’hadrons de beauté, avec une grande précision. Autre nouveauté, cette année, LHCb sera capable d’injecter du néon et de l’argon gazeux dans son système spécial SMOG2 afin de recueillir des données pour les collisions plomb-néon et plomb-argon, parallèlement à celles recueillies pour les collisions plomb-plomb.
L’étude du plasma quarks-gluons est un moyen de savoir comment la matière s’est formée dans l’Univers primordial, seulement un centième de milliardième de seconde après le Big Bang. La campagne d’exploitation avec ions lourds est une occasion unique au LHC pour étudier la matière dans ses conditions les plus extrêmes.
Les lasers produisent une lumière domptée bien différente de la lumière ordinaire produite par le Soleil ou les ampoules. Les propriétés du laser vont être à la base d'applications utilisant ce type de lumière.
Publié le 30 juin 2015
Au service de la science, de la médecine, du transport de l’information, de l’industrie et au cœur de notre vie quotidienne, le laser est partout présent.
INTRODUCTION
Dans les années 1960 naissaient les premiers LASERs, acronyme de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplification de lumière par émission stimulée de rayonnement). Très vite, leur lumière magique a trouvé de multiples applications. Les lasers se sont installés dans notre vie quotidienne : CD, DVD, dans nos imprimantes et les lecteurs de codes-barres des supermarchés. Ils font la beauté des spectacles qui portent leur nom. D’autres, dans l’industrie, coupent, soudent et percent. Les faisceaux rectilignes des lasers servent aussi à aligner des routes, des tunnels… En médecine, ils réparent ou brûlent les zones malades sans toucher aux parties saines. Mais pourquoi les lasers sont-ils capables de faire toutes ces choses alors que la lumière ordinaire, émise par le Soleil ou une ampoule, ne peut pas les réaliser ?
Le CEA travaille depuis longtemps sur toutes les formes de lasers. Les chercheurs les utilisent dans leurs travaux pour des applications classiques (alignement, perçage, spectroscopie…) et en développent de nouveaux pour des usages spécifiques et innovants. C’est le cas de nombreux lasers de puissance grâce auxquels ils étudient, par exemple, l’interaction d’une impulsion lumineuse très intense avec la matière. Outils indispensables pour de nombreuses applications, il ne faut pourtant pas ignorer les risques associés à leur manipulation, puisqu’ils véhiculent de l’énergie, ni oublier les précautions d’utilisation.
COMPARAISON DE LA LUMIÈRE ORDINAIRE ET DE LA LUMIÈRE LASER
Les lasers produisent une lumière bien différente de la lumière ordinaire produite par le Soleil ou les ampoules. Le tableau ci-dessous dresse leurs portraits robots et liste leurs dissemblances.
L’ÉMISSION STIMULÉE
Un atome, un ion ou une molécule excité peut libérer son énergie par « émission spontanée » d’un photon.
Il existe un autre mode prévu par Albert Einstein en 1917. Une particule (atome, ion ou molécule) excitée, qui reçoit un photon de la même énergie que celui qu’elle pourrait émettre de manière spontanée, émet un photon par l’effet dit « d’émission stimulée ». La particularité de ce type d’émission est que le photon stimulé prend strictement les mêmes caractéristiques (couleur, direction et phase) que le photon incident, comme si le second était la photocopie du premier.
L’INVERSION DE POPULATION
L’émission stimulée agit donc comme une duplication de la lumière. En répétant de nombreuses fois ce phénomène, il est possible de créer une lumière qui est composée de photons tous identiques, de même couleur, émis dans la même direction comme s’ils étaient la copie conforme les uns des autres : c’est la lumière laser.
Les caractéristiques particulières de la lumière laser sont exploitées dans de multiples domaines.
Constant et ordonné, le faisceau laser reste monochromatique, fin et directionnel.
L’OSCILLATEUR LASER
Pour fabriquer la lumière laser, il faut une source d’énergie et un oscillateur laser.
L’oscillateur est une sorte de cylindre allongé avec un miroir à chacune de ses extrémités. Il est empli du milieu laser, matériau solide, liquide ou gazeux contenant des particules capables d’émettre des photons. Par exemple, le rubis est un milieu laser solide dont les atomes excitables sont ceux du chrome.
Comment l’oscillateur laser produit la lumière ?
Imaginons un photon émis spontanément dans le milieu laser dont la trajectoire est perpendiculaire aux plans des miroirs. En rencontrant une particule excitée, il va stimuler l’émission d’un deuxième photon. Les deux photons identiques peuvent à leur tour stimuler d’autres émissions de photons et ainsi de suite, jusqu’à ce que le groupe de photons rencontre le miroir. Leur trajectoire étant perpendiculaire au plan de celui-ci, ils seront renvoyés strictement en sens inverse et continueront de nouveau à provoquer des émissions stimulées. Dans cette réaction en chaîne, le nombre de photons identiques qui vont et viennent entre les miroirs va donc augmenter à chaque passage : la lumière laser est amplifiée. Pour que l’amplification soit efficace, il faut que les ondes de photons restent en phase après un aller-retour, c’est ce qui donne sa cohérence à la lumière. Pour que le faisceau sorte de l’oscillateur laser, l’un des deux miroirs est partiellement transparent, comme peut l’être un miroir sans tain. La plupart des photons sont réfléchis mais certains le traversent, permettant ainsi au faisceau laser de sortir.
Pour qu’un oscillateur produise de la lumière laser en continu, il faut que la source d’énergie, de type lumineuse, électrique ou chimique, soit elle-même continue. Après une rapide phase de mise en route, la lumière garde une puissance constante. Il existe des cavités laser capables d’émettre la lumière laser de manière discontinue, par impulsions brèves et intenses. On dit alors que le laser est impulsionnel.
LES AMPLIFICATEURS LASER
La lumière laser produite par un oscillateur peut, pour certaines applications, être utilisée directement. Mais dans le cas où il est nécessaire d’avoir une puissance beaucoup plus grande, il faut amplifier la puissance véhiculée par la lumière laser émise par l’oscillateur par une série d’amplificateurs. L’amplificateur est constitué d’un milieu laser. Son principe de fonctionnement est le même que celui de l’oscillateur. Les particules du milieu laser de l’amplificateur sont excitées par le faisceau laser sortant de l’oscillateur et les photons qui vont traverser l’amplificateur vont produire par réaction en chaîne de nombreux autres photons identiques : la puissance de la lumière laser est amplifiée. Pour obtenir la puissance recherchée, plusieurs amplificateurs sont placés sur la trajectoire du faisceau laser. Au fur et à mesure de l’augmentation de la puissance, il faut augmenter le diamètre du faisceau et des amplificateurs, pour éviter que les composants optiques (milieux laser en verre, miroirs, lentilles…), soumis à l’énergie grandissante de la lumière laser, ne soient endommagés. La série constituée de l’oscillateur, des amplificateurs et des autres composants optiques constitue une chaîne laser.
L'ESSENTIEL SUR... Les matières premières critiques
L'ESSENTIEL SUR...
Les matières premières critiques
Publié le 2 février 2022
Les matières premières dites critiques sont des matières premières pour lesquelles un risque pèse sur la chaîne d’approvisionnement, soit parce que celle-ci est concentrée dans un très petit nombre de pays, soit parce que la stabilité politique des pays fournisseurs est limitée, alors qu’elles présentent un intérêt économique ou industriel fort pour les pays demandeurs. Certaines sont très utilisées pour le développement des nouvelles technologies, notamment celles des transitions énergétique et numérique. Elles sont donc au cœur d’enjeux stratégiques importants, allant même jusqu’à toucher directement à l’indépendance des pays.
QU’EST-CE QU’UNE MATIÈRE PREMIÈRE CRITIQUE ?
Une matière première critique est une matière première dont l’approvisionnement peut être sujet à des aléas et dont le défaut peut avoir des impacts industriels ou économiques négatifs importants. Ces matières premières peuvent être aussi bien des métaux que des éléments chimiques. Elles sont répertoriées par la Commission européenne tous les 3 ans depuis 2011, sur une liste qui en compte aujourd’hui 30. Outre les terres rares (un groupe de 17 métaux aux propriétés voisines), cette liste comprend notamment l’indium, le cobalt, le lithium, la bauxite ou encore des métaux nobles comme le platine.
Le Comes
En France, le ministère de l’Industrie et le ministère de la Transition Ecologique ont créé le Comes (Comité aux métaux stratégiques) en 2015. Il regroupe entre autres des organismes de recherche français - CEA, BRGM - et des industriels avec trois objectifs :sensibiliser les filières industrielles sur les risques d’approvisionnement en matières premières ;valoriser les ressources primaires (extraites) et secondaires (recyclées) du territoire ;engager une diplomatie des matières premières.
En France, le Comité pour les métaux stratégiques (Comes) publie depuis 2015 une matrice de criticité permettant d’identifier des métaux stratégiques pour la France, c’est-à-dire des métaux indispensables notamment pour l’économie du pays, l’indépendance énergétique et la défense. Cette liste spécifique à la France inclut notamment l’argent, le chrome ou encore le cuivre, qui ne sont pas identifiés comme critiques au niveau européen.

POURQUOI CES MATIÈRES SONT-ELLES CRITIQUES ?
Ces matières premières ont généralement une production (extraction et raffinage) concentrée dans quelques pays. Or, pour certaines d’entre elles, la demande se fait croissante, comme dans le domaine des batteries, des panneaux photovoltaïques ou des moteurs électriques. Les batteries des véhicules électriques contiennent ainsi du lithium, du cobalt et du graphite, trois matières premières critiques. Or, l’Agence Internationale de l’Energie estime par exemple que la demande en lithium sera multipliée par 10 à 40 d’ici à 2040, par rapport à 2020.
Autre exemple, les aimants permanents. Utilisés dans la plupart des moteurs des voitures électriques ou dans les génératrices d’éoliennes en mer, ils contiennent des « terres rares », dont 75 à 80 % sont extraites en Chine, ce qui rend difficile la diversification des sources d’approvisionnement. Le besoin en matières premières pour le marché européen est stratégique et pourtant l’Europe reste dépendante à plus de 95 % de sociétés hors de l’Union Européenne.
QUELS SONT LES PRINCIPAUX PAYS PRODUCTEURS DE MATIÈRES PREMIÈRES CRITIQUES ?
Parmi les principaux producteurs de matières premières critiques se trouvent :
* la Chine, qui produit aujourd’hui 86 % des terres rares, 89 % du magnésium, 80 % du bismuth, gallium et germanium ;
* l’Afrique du Sud, qui produit 93 % du ruthénium, 80 % du rhodium et 71 % du platine ;
* le Congo, qui produit 59 % du tantale et 64 % du cobalt ;
* les Etats-Unis, qui produisent 88 % du béryllium ;
* le Brésil, qui produit 92 % du niobium ;
* le Chili, qui produit 44 % du lithium ;
* la France, qui produit 49 % du hafnium (utilisé notamment dans les réacteurs nucléaires de sous-marins).
Cependant, il y a pour chaque matière première une chaîne de valeur : mines, transformation, composants et systèmes, impliquant souvent différents pays, ce qui augmente les risques et les tensions d’approvisionnement.
Dans le domaine de l’extraction du cuivre par exemple, le Chili domine, mais la transformation du minerai en cuivre (utilisable par l’industrie) est majoritairement effectuée en Chine. Même chose pour le cobalt, qui est extrait en République démocratique du Congo (RDC), mais transformé et vendu par la Chine.
DEPUIS QUAND L’UNION EUROPÉENNE
S’INTÉRESSE-T-ELLE AUX MATIÈRES PREMIÈRES CRITIQUES ?
En Europe, il existe depuis 2008 une initiative pour les matières premières et un partenariat d’innovation européen sur les matières premières. Ces structures définissent des priorités en termes de recherche et de développement industriel afin de garder le meilleur positionnement possible sur le marché des matières premières. Toutefois, en 2010, la Chine et le Japon ont connu un différend territorial concernant les îles Senkaku, situées en mer de Chine orientale entre les deux pays. La Chine a alors décrété un embargo sur l’exportation des terres rares vers le Japon, ce qui a fortement pénalisé l’industrie high-tech de ce dernier. Par la suite, la Chine a décliné cet embargo en quotas d’exportations vers le reste du monde. Cela a entraîné une forte hausse des prix des terres rares et une prise de conscience chez les pays touchés de leur dépendance. C’est à la suite de cette crise que la Commission Européenne a fortement renforcé son plan d’action avec la création de la première liste européenne des matières premières critiques. Liste qui a permis d’orienter une partie des financements de la recherche européenne (FP7 puis H2020 puis Horizon Europe) sur ces matières, et les terres rares en premier lieu.
QUELS SONT LES ENJEUX LIÉS À CES MATIÈRES PREMIÈRES CRITIQUES EN FRANCE ?
La France est principalement un pays importateur de produits semi-finis et finis. L’enjeu est donc non seulement de sécuriser les chaînes d’approvisionnement des métaux stratégiques que l’on retrouve dans ces produits mais aussi de maîtriser, à terme, les filières technologiques associées. Cela passe par exemple par la prise de parts dans des mines, la création de stocks stratégiques, ou le développement du recyclage, mais aussi par une relocalisation des industries de la transformation, à l’instar de ce qu’a fait la Chine. Le cas des aimants en est un exemple : en quarante ans, ce pays est ainsi passé de simple producteur de minerais de terres rares à premier fournisseur mondial d’aimants permanents.
Par ailleurs, l’importation et l’utilisation de certaines matières premières et des composants d’un pays dont on ne maîtrise ni la stratégie énergétique ni les conditions d’extraction pose la question de la maîtrise des impacts environnementaux (qui découlent notamment du mix énergétique choisi) et sociaux (qui concernent par exemple les conditions de travail des ouvriers).
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Les matériaux critiques dans les smartphones
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La France, face à cette situation, souhaite sécuriser l’approvisionnement en métaux stratégiques, en particulier les batteries et les aimants en apportant son soutien aux industriels. L’objectif est de leur permettre :
* le développement des solutions techniques et technologiques sur le territoire afin de réduire cette dépendance,
* l’investissement dans des mines « responsables » avec des contrats à long terme
* ou encore la création d’un observatoire des métaux critiques.
VOIR AUSSI
* Tout s'explique : que contiennent nos smartphones ?
* Matériaux critiques : un enjeu de souveraineté
* Réutiliser ou recycler : choisir avec l'analyse du cycle de vie
* Les Défis du CEA n°244 : Matériaux critiques
* Les recherches du CEA sur l'économie circulaire des matières
