Le réseau quantique est un pas vers un internet ultra-sécurisé

Les physiciens ont franchi une étape majeure vers une future version quantique d’Internet en reliant trois dispositifs quantiques dans un réseau. Un Internet quantique permettrait des communications ultra-sécurisées et déverrouillerait des applications scientifiques telles que de nouveaux types de capteurs pour les ondes gravitationnelles et des télescopes avec une résolution sans précédent. Les résultats ont été rapportés¹ le 8 février sur le référentiel de préimpression arXiv.

C’est un grand pas en avant, déclare Rodney Van Meter, ingénieur en réseaux quantiques à l’université Keio de Tokyo. Bien que le réseau n’ait pas encore les performances nécessaires pour des applications pratiques, ajoute Van Meter, il démontre une technique clé qui permettra à un Internet quantique de connecter des nœuds sur de longues distances.

Les communications quantiques exploitent des phénomènes propres au domaine quantique, tels que la capacité des particules élémentaires ou des atomes à exister dans une superposition de plusieurs états simultanés, ou à partager un état intriqué avec d’autres particules. Les chercheurs avaient démontré² les principes d’un réseau quantique à trois nœuds auparavant, mais la dernière approche pourrait plus facilement conduire à des applications pratiques.

Toile enchevêtrée

Au cœur des communications quantiques se trouvent des informations stockées dans des qubits, l’équivalent quantique des bits des ordinateurs ordinaires qui peuvent être programmés pour être dans une superposition d’un 0 et d’un 1. L’objectif principal d’un réseau quantique est d’activer les qubits sur un utilisateur. dispositif d’être enchevêtré avec ceux de quelqu’un d’autre. Cet enchevêtrement a de nombreuses utilisations potentielles, à commencer par le chiffrement : parce que les mesures sur les objets intriqués sont toujours corrélées, en lisant à plusieurs reprises les états de leurs qubits, les utilisateurs peuvent générer un code secret qu’eux seuls connaissent.

Lors de la dernière démonstration, le physicien Ronald Hanson de l’Université de technologie de Delft aux Pays-Bas et ses collaborateurs ont relié trois appareils de telle sorte que deux appareils du réseau se retrouvent avec des qubits mutuellement intriqués. Ils placent également les qubits sur les trois appareils dans un état intriqué à trois voies, ce qui, entre autres applications, peut permettre à trois utilisateurs de partager des informations secrètes.

Chacun des appareils de Delft stocke des informations quantiques dans un cristal de diamant synthétique plus précisément, dans les états quantiques d’un défaut du cristal, où un atome d’azote remplace l’un des carbones.

Dans un tel dispositif en diamant, les chercheurs peuvent pousser le qubit d’azote pour émettre un photon, qui sera automatiquement intriqué à l’état des atomes. Ils peuvent ensuite canaliser le photon dans une fibre optique et le transmettre à un autre appareil, aidant à établir l’intrication entre les qubits distants. Dans une expérience de tour de force³ en 2015, l’équipe de Delft a réussi à enchevêtrer deux dispositifs à base de diamant et les a utilisés pour confirmer certaines prédictions cruciales de la mécanique quantique.

Mémoire quantique

L’un des trois appareils de la dernière expérience de l’équipe, celui au milieu du réseau, a également été configuré pour stocker des informations dans une mémoire quantique, qui peut contenir des données plus longtemps que les autres qubits et a été la clé de la configuration du système à trois voies. enchevêtrement. Le qubit mémoire utilisait du carbone-13, un isotope non radioactif qui représente environ 1% du carbone naturel. Le carbone-13 a un neutron supplémentaire dans son noyau, il agit donc comme un barreau magnétique. Les chercheurs ont utilisé un électron actif dans le défaut d’azote comme capteur, pour localiser un noyau de carbone-13 à proximité. En manipulant l’électron, ils ont pu pousser le noyau de carbone dans des états quantiques spécifiques, le transformant en un qubit supplémentaire. De telles mémoires quantiques en carbone peuvent conserver leurs états quantiques pendant 1 minute ou plus, ce qui dans le monde subatomique est une éternité.

La mémoire carbone a permis aux chercheurs de mettre en place leur réseau de trois appareils par étapes. Premièrement, ils ont enchevêtré l’un des nœuds d’extrémité avec l’azote dans le nœud central. Ensuite, ils ont stocké l’état quantique de l’azote dans une mémoire de carbone. Cela a libéré le qubit d’azote central pour qu’il s’entremêle avec le qubit au troisième nœud. En conséquence, le dispositif central avait un qubit intriqué avec le premier nœud et un autre simultanément intriqué avec le troisième (voir Réseau quantique).

La technique a nécessité des années de raffinement. Le qubit de carbone doit être suffisamment bien isolé de son environnement pour que son état quantique survive pendant que les physiciens effectuent d’autres opérations tout en restant accessible pour pouvoir être programmé. Vous souhaitez stocker un état quantique, il doit donc être protégé. Mais il ne faut pas trop le protéger, a déclaré Hanson à un journaliste lors d’une visite dans son laboratoire en 2018.

Ceci et d’autres défis ont rendu l’expérience plus difficile qu’un réseau à deux nœuds, explique Tracy Northup, physicienne à l’Université d’Innsbruck en Autriche. Une fois que vous essayez sérieusement d’en lier trois, cela devient beaucoup plus compliqué.

Le stockage d’informations dans un nœud a permis à l’équipe de démontrer une technique appelée échange d’intrication, qui pourrait s’avérer aussi cruciale pour un futur Internet quantique que les routeurs le sont pour l’actuel.

Problèmes matériels

L’équipe de Delft n’est pas la première à avoir réussi à relier trois mémoires quantiques : en 2019, une équipe dirigée par le physicien Pan Jianwei de l’Université des sciences et technologies de Chine à Hefei l’a fait en utilisant un autre type de qubit, basé sur des nuages ​​d’atomes. plutôt que des atomes individuels dans un objet solide². Mais cette expérience ne pouvait pas encore produire un enchevêtrement à la demande, dit Northup. En détectant des photons, l’équipe de Hefei n’a pu qu’extraire rétroactivement le fait que l’intrication était là, et non qu’elle est toujours disponible pour une utilisation ultérieure.

Van Meter dit que les qubits de nuage atomique sont plus limités dans ce qu’ils peuvent faire, il pourrait donc être très difficile pour l’équipe de Hefei d’effectuer un échange d’intrication bien que peut-être pas impossible. Je ne dirais jamais jamais avec le groupe Pan.

Mikhail Lukin, physicien à l’Université Harvard à Cambridge, Massachusetts, qualifie l’expérience de Delft d’héroïque, mais ajoute que ses performances sont lentes, montrant que les défauts d’azote ont également des limites. L’équipe de Lukins travaille sur des expériences similaires dans le diamant avec des défauts de silicium, qui sont beaucoup plus efficaces pour interagir avec les photons, dit-il. D’autres équipes ont construit des réseaux avec des ions piégés dans un champ électromagnétique, ou avec des défauts dans des cristaux d’éléments de terres rares, qui peuvent interagir avec des photons infrarouges capables de parcourir des kilomètres de fibre optique sans pertes importantes. (Les fibres optiques sont médiocres pour transporter les photons de lumière visible émis par les défauts d’azote dans le diamant.)

Dans leur article, Hanson et ses co-auteurs suggèrent que leurs techniques fourniront des conseils pour des plates-formes similaires atteignant le même niveau de maturité à l’avenir.