Le cloud computing sous le couvert du quantique

Les progrès de la technologie quantique ont été rapides, mais nous sommes encore loin du jour où tout le monde aura un ordinateur quantique chez soi ou dans son entreprise. Les premières étapes de l’informatique quantique s’appuieront probablement sur une version quantique du « cloud », dans laquelle les utilisateurs envoient des données et des tâches informatiques à une machine quantique de pointe hébergée par Google, IBM ou une autre société. Mais cette approche est-elle sûre ? Cela peut être le cas, grâce au secret impénétrable des protocoles quantiques. Une expérience récente démontre une version de « l’informatique quantique aveugle » utilisant des ions piégés [1]. Le protocole est évolutif, ce qui signifie qu’il offre le potentiel d’être intégré à des systèmes informatiques quantiques de plus en plus grands.

Les ordinateurs quantiques ont le potentiel de changer la donne dans les tâches à forte intensité de calcul telles que la découverte de médicaments et la conception de matériaux. Dans ces secteurs hautement compétitifs, l’utilisation d’un ordinateur quantique basé sur le cloud susciterait des inquiétudes. « Une entreprise à la recherche d’un nouveau médicament miracle ou d’un matériau de batterie haute performance ne voudrait pas révéler de secrets confidentiels », explique Peter Drmota de l’Université d’Oxford, au Royaume-Uni. Cependant, il a été démontré – en théorie – que l’on peut effectuer des calculs sur un ordinateur quantique distant tout en masquant les données et les opérations effectuées sur ces données. « L’informatique quantique aveugle pourrait donner à un client la confiance nécessaire pour utiliser l’ordinateur quantique de n’importe qui », explique Drmota.

Plusieurs groupes ont déjà exploré l’informatique quantique aveugle à l’aide de schémas photoniques. Le principal inconvénient de ces configurations est qu’elles sont probabilistes, ce qui signifie que les opérations d’intrication quantique échouent parfois et parfois réussissent, les utilisateurs doivent donc exécuter plusieurs essais et post-sélectionner le résultat souhaité. « L’absence d’opérations d’intrication déterministes rend difficile la réalisation d’un calcul quantique aveugle en utilisant uniquement des photons », explique Joe Fitzsimons d’Horizon Quantum Computing, une société développant des logiciels d’intégration pour les ordinateurs quantiques. Fitzsimons, qui n’a pas participé à la présente étude, affirme que la communauté attendait une démonstration d’informatique quantique aveugle utilisant des qubits basés sur la matière, par opposition aux photons.

Drmota et ses collègues ont réalisé une telle démonstration avec une simple configuration informatique quantique aveugle qui utilise seulement deux ions piégés : un ion strontium et un ion calcium. L’ion strontium agit comme un qubit de réseau qui envoie des photons à un « client », tandis que l’ion calcium, avec ses longs temps de cohérence, fonctionne comme un qubit mémoire. Ensemble, les deux ions forment le « serveur » du système cloud quantique.

Le protocole informatique aveugle de l’équipe commence par le fait que le qubit du réseau envoie un photon au client via une fibre optique. La polarisation du photon dépend de l’état électronique de l’ion du réseau, ce qui signifie que les deux objets sont intriqués quantiquement. Le client utilise cet intrication pour « piloter » l’état de l’ion grâce à des mesures de l’état du photon (voir Synopsis : Un pilotage quantique robuste aux pertes et au bruit). Concrètement, le client mesure la polarisation du photon, en choisissant secrètement l’orientation de l’appareil de mesure de polarisation. Grâce à cette mesure, le client prépare l’état du qubit du réseau. « L’état de l’ensemble du système « s’effondre » dans un état particulier que seul le client connaît », explique Dominik Leichtle, membre de l’équipe de l’Université de la Sorbonne en France. « Comme le serveur ne connaît pas la mesure, il ne sait pas dans quel état se retrouve le qubit du réseau. »

Le serveur est cependant capable de traiter les informations du qubit réseau en effectuant un processus laser qui entremêle le qubit réseau avec le qubit mémoire. Le qubit mémoire stocke des informations qui peuvent être utilisées dans les itérations ultérieures du protocole. Le client poursuit le calcul en envoyant un message via une ligne de communication normale au serveur, lui demandant de mesurer la rotation du qubit du réseau le long d’un axe particulier et de renvoyer les résultats au client. L’ensemble du processus se répète ensuite, le serveur envoyant un autre photon au client.

Pour garantir davantage la sécurité du protocole, l’équipe encode les informations à l’aide d’un cryptage dit à tampon unique. Dans cette approche, le client génère une liste de nombres aléatoires qui sont ajoutés sous forme de rotations supplémentaires aux instructions envoyées au serveur. « Tout ce qui sort du client est du charabia, et tout ce qui revient au client est du charabia », explique Drmota. Grâce à ce cryptage, le serveur ignore la signification des données et même quelles sont les opérations. Mais le client peut décrypter le charabia avec sa liste de nombres aléatoires.

Le client dispose également d’un moyen de vérifier que le calcul est effectué correctement. Une telle vérification est importante pour inspirer confiance dans un ordinateur quantique qui échappe à notre contrôle ou qui est susceptible de commettre des erreurs, explique Leichtle. Des travaux antérieurs ont mis au point des méthodes de vérification, mais elles nécessitaient généralement beaucoup de ressources informatiques. Leichtle et ses collègues ont développé un protocole plus efficace, qui consiste à intercaler les données réelles avec des données factices et à effectuer des tests sur ces entrées factices. [2]. Les chercheurs ont mis en œuvre ce protocole sur le système à deux ions et ont montré qu’un client pouvait vérifier que les calculs quantiques étaient fiables.

Dans cette première démonstration, l’équipe a montré que le client peut demander au serveur d’effectuer une opération quantique simple appelée rotation de qubits. Après avoir analysé et déchiffré les données, le client a récupéré un motif de franges, ce qui était le résultat attendu. Le système à ions piégés peut être rendu plus puissant (en calculant des opérations plus difficiles) en introduisant davantage de qubits de mémoire. Connecter tous ces qubits entre eux ne sera pas simple, mais les scientifiques de l’information quantique ont montré qu’ils peuvent connecter plusieurs dizaines d’ions piégés ensemble, et des propositions pour des systèmes à 1 000 ions ont été faites (voir Synopsis : Contrôle efficace des ions piégés). Drmota et Leichtle affirment qu’à mesure que ce matériel progresse, leur algorithme d’informatique quantique aveugle peut « évoluer » en conséquence. « Ce que nous entendons par « évolutif », c’est que l’interface et l’appareil client ne changent pas, quelle que soit la taille du serveur », explique Drmota.

« La récente démonstration de l’informatique quantique aveugle utilisant des ions piégés et la détection photonique représente une étape importante vers une communication quantique évolutive et sécurisée », déclare Anne Broadbent, experte en information quantique de l’Université d’Ottawa, Canada. « À mesure que nous nous rapprochons du déploiement pratique, ces développements ouvrent la voie à un Internet quantique qui garantit la confidentialité et la vérifiabilité. » Fitzsimons est d’accord, ajoutant que les chercheurs ont surmonté d’importants défis techniques pour connecter les qubits de matière à un réseau de communication basé sur les photons. « Cependant, la démonstration actuelle est encore limitée à un petit nombre de qubits et des travaux supplémentaires seront nécessaires pour rendre l’informatique quantique aveugle disponible sur des processeurs quantiques dotés d’un nombre de qubits plus élevé », dit-il.

Michael Schirber

Michael Schirber est rédacteur correspondant pour Revue de physique basé à Lyon, France.

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