Vers un futur Internet quantique

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Des chercheurs en ingénierie de l’Université de Toronto ont démontré la preuve de principe d’un appareil susceptible de servir d’épine dorsale à un futur Internet quantique.

Un élément-clé d’un internet quantique

Le professeur Hoi-Kwong Lo (ECE, Physique) et ses collaborateurs ont mis au point un prototype d’un élément-clé pour les répéteurs quantiques tout photoniques, une étape cruciale de la communication quantique à longue distance.

L’Internet quantique est le «Saint Graal» du traitement de l’information quantique, permettant de nombreuses applications innovantes, notamment la communication sécurisée basée sur la théorie de l’information. L’Internet d’aujourd’hui n’était pas spécialement conçu pour la sécurité, et cela se voit: le piratage informatique, l’introduction par effraction et l’espionnage informatique sont des embarras courants.

Des pirates informatiques creusent constamment des trous dans des couches sophistiquées de défense érigées par des particuliers, des entreprises et des gouvernements.

À la lumière de cela, les chercheurs ont proposé d’autres moyens de transmettre des données qui tireraient parti des caractéristiques clés de la physique quantique pour fournir un cryptage pratiquement inviolable. L’une des technologies les plus prometteuses fait appel à une technique connue sous le nom de distribution de clé quantique (QKD). La QKD exploite le fait que le simple fait de détecter ou de mesurer l’état d’un système quantique perturbe l’ensemble de ce système.

De ce fait, toute écoute induite par un tiers laisserait une trace clairement détectable et la communication pourrait être interrompue avant la perte d’informations personnelles.

La communication par fibre optique

Jusqu’à présent, ce type de sécurité quantique a été démontré dans des systèmes à petite échelle. Lo et son équipe font partie d’un groupe de chercheurs qui jettent les bases d’un futur internet quantique en s’attaquant à certains problèmes de transmission de l’information quantique sur de longues distances, en utilisant la communication par fibre optique.

Les signaux lumineux, perdant en puissance, lorsqu’ils parcourent de longues distances à travers des câbles à fibres optiques, des dispositifs appelés répéteurs sont insérés à intervalles réguliers le long de la ligne. Ces répéteurs amplifient les signaux pour aider à transmettre les informations le long de la ligne.

Mais l’information quantique est différente, et les répéteurs qui existent actuellement pour l’information quantique sont très problématiques. Ils nécessitent le stockage de l’état quantique sur les sites de répéteurs, ce qui rend les répéteurs beaucoup plus sujets aux erreurs, difficiles à construire et très coûteux, car ils fonctionnent souvent à des températures cryogéniques.

Des répéteurs quantiques tout photoniques

Lo et son équipe ont proposé une approche entièrement différente. Ils travaillent au développement de la prochaine génération de répéteurs, appelés répéteurs quantiques tout photonique, qui élimineraient ou réduiraient un grand nombre des inconvénients des répéteurs quantiques standard. Avec des collaborateurs de l’Université d’Osaka, de l’Université de Toyama et de NTT Corporation au Japon, M. Lo et son équipe ont démontré la preuve de concept de leurs travaux dans un article récemment publié dans Nature Communications.

«Nous avons développé des répéteurs tout photoniques qui permettent une mesure adaptative de Bell à inversion dans le temps», déclare Lo. «Parce que ces répéteurs sont tout optiques, ils offrent des avantages autres que les répéteurs traditionnels (basés sur la mémoire quantique). Par exemple, cette méthode pourrait fonctionner à la température ambiante. »

Qu’est-ce qu’une mesure de Bell ?

Mais pour bien comprendre l’importance de cette nouvelle approche d’un internet quantique il faut savoir ce qu’est une mesure de Bell. C’est un concept important de la science de l’information quantique: c’est une mesure conjointe de la mécanique quantique de deux qubits qui détermine dans lequel des quatre états de Bell se trouvent les deux qubits.

Si les qubits n’étaient pas dans un état de Bell auparavant, ils sont projetés dans un état de Bell (selon la règle de projection des mesures quantiques) et, comme les états de Bell sont intriqués, une mesure de Bell est une opération enchevêtrée. C’est la partie cruciale de la téléportation quantique.

Dans les expériences actuelles qui utilisent des photons comme qubits, les mesures de Bell ne peuvent être réalisées que partiellement car deux des états de Bell ne peuvent pas être distingués par des techniques optiques. Dans les mesures de Bell des qubits d’ions dans les expériences de piégeage d’ions, la distinction des quatre états devient possible.

Un internet quantique offrant des possibilités inimaginables

Ainsi un Internet quantique pourrait offrir des applications impossibles à mettre en œuvre sur avec un internet classique, telles que la sécurité totale et la téléportation quantique.

«Un réseau tout optique est une forme d’infrastructure prometteuse pour une communication rapide et économe en énergie, ce qui est indispensable pour un futur Internet quantique», déclare Lo. «Notre travail contribue à ouvrir la voie à cet avenir. »

Source : University of Toronto
Crédit photo sur Unsplash : Hannah Wei

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