Des démonstrations d’Internet quantique font leurs débuts dans trois villes

Quantum Internet Milestone fait sortir l’enchevêtrement du laboratoire et dans les villes

Par Davide Castelvecchi & Revue nature

Trois groupes de recherche distincts ont démontré l’intrication quantique – dans laquelle deux objets ou plus sont liés de manière à contenir les mêmes informations même s’ils sont éloignés les uns des autres – sur plusieurs kilomètres de fibres optiques existantes dans des zones urbaines réelles. Cet exploit est une étape clé vers un avenir Internet quantiqueun réseau qui pourrait permettre l’échange d’informations tout en étant codées dans des états quantiques.

Ensemble, ces expériences constituent « les démonstrations les plus avancées à ce jour » de la technologie nécessaire à un Internet quantique, déclare la physicienne Tracy Northup de l’Université d’Innsbruck en Autriche. Chacune des trois équipes de recherche – basées aux États-Unis, en Chine et aux Pays-Bas – a pu connecter des parties d’un réseau en utilisant des photons dans la partie infrarouge du spectre respectueuse des fibres optiques, ce qui constitue une « étape majeure », selon Simon Baier, physicien d’Innsbruck.

Un Internet quantique pourrait permettre à deux utilisateurs quelconques d’établir des clés cryptographiques presque incassables pour protéger les informations sensibles. Mais l’utilisation complète de l’intrication pourrait faire bien plus, comme connecter des ordinateurs quantiques séparés en une machine plus grande et plus puissante. La technologie pourrait également permettre certains types d’expériences scientifiques, par exemple en créant des réseaux de télescopes optiques ayant la résolution d’une seule parabole sur des centaines de kilomètres de large.

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Deux de ces études ont été publiées dans Nature le 15 mai. Le troisième a été décrit le mois dernier dans une prépublication publiée sur arXiv, qui n’a pas encore été évaluée par des pairs.

Environnement peu pratique

De nombreuses étapes techniques nécessaires à la construction d’un Internet quantique ont été démontrées en laboratoire au cours de la dernière décennie. Et les chercheurs ont montré qu’ils peuvent produire des photons intriqués à l’aide de lasers placés en ligne de mire directe les uns des autres, soit dans des emplacements séparés au sol, soit au sol et dans l’espace.

Mais passer du laboratoire à l’environnement urbain est « une autre bête », explique Ronald Hanson, physicien qui a dirigé l’expérience néerlandaise à l’Université de technologie de Delft. Pour construire un réseau à grande échelle, les chercheurs s’accordent sur le fait qu’il sera probablement nécessaire d’utiliser la technologie existante de la fibre optique. Le problème est que l’information quantique est fragile et ne peut pas être copiée ; il est souvent transporté par des photons individuels, plutôt que par des impulsions laser qui peuvent être détectées puis amplifiées et réémises. Cela limite les photons intriqués à parcourir quelques dizaines de kilomètres avant que les pertes ne rendent le tout impraticable. « Ils sont également affectés par les changements de température tout au long de la journée – et même par le vent, s’ils sont au-dessus du sol », explique Northup. « C’est pourquoi générer de l’enchevêtrement dans une ville réelle est un gros problème. »

Les trois démonstrations utilisaient chacune différents types de dispositifs de « mémoire quantique » pour stocker un qubit, un système physique tel qu’un photon ou un atome qui peut être dans l’un des deux états suivants – semblable au « 1 » ou au « 0 » des bits informatiques ordinaires. – ou dans une combinaison, ou « superposition quantique », des deux possibilités.

Dans l’un des Nature Dans des études menées par Pan Jian-Wei à l’Université des sciences et technologies de Chine (USTC) à Hefei, les qubits ont été codés dans les états collectifs de nuages ​​d’atomes de rubidium. Les états quantiques des qubits peuvent être définis à l’aide d’un seul photon, ou peuvent être lus en « chatouillant » le nuage atomique pour émettre un photon. L’équipe de Pan avait installé de telles mémoires quantiques dans trois laboratoires distincts de la région de Hefei. Chaque laboratoire était relié par fibres optiques à un « serveur photonique » central situé à environ 10 kilomètres de distance. Deux de ces nœuds pourraient être mis dans un état intriqué si les photons des deux nuages ​​​​d’atomes arrivaient au serveur exactement au même moment.

En revanche, Hanson et son équipe ont établi un lien entre des atomes d’azote individuels intégrés dans de petits cristaux de diamant et des qubits codés dans les états électroniques de l’azote et dans l’état électronique de l’azote. États nucléaires d’atomes de carbone proches. Leur fibre optique partait de l’université de Delft et empruntait un chemin tortueux de 25 kilomètres à travers la banlieue de La Haye pour atteindre un deuxième laboratoire dans la ville.

Dans l’expérience américaine, Mikhail Lukin, physicien à l’Université Harvard de Cambridge, Massachusetts, et ses collaborateurs ont également utilisé des dispositifs à base de diamant, mais avec des atomes de silicium au lieu d’azote, utilisant les états quantiques d’un électron et d’un noyau de silicium. . Les atomes uniques sont moins efficaces que les ensembles atomiques pour émettre des photons à la demande, mais ils sont plus polyvalents, car ils peuvent effectuer des calculs quantiques rudimentaires. « Fondamentalement, nous avons intriqué deux petits ordinateurs quantiques », explique Lukin. Les deux appareils à base de diamant se trouvaient dans le même bâtiment à Harvard, mais pour imiter les conditions d’un réseau métropolitain, les chercheurs ont utilisé une fibre optique qui serpentait autour de la région locale de Boston. « Il traverse la rivière Charles six fois », explique Lukin.

Défis à venir

La procédure d’intrication utilisée par les équipes chinoises et néerlandaises exigeait que les photons arrivent à un serveur central avec une précision temporelle exquise, ce qui constituait l’un des principaux défis des expériences. L’équipe de Lukin a utilisé un protocole qui ne nécessite pas un tel réglage : au lieu d’emmêler les qubits en les faisant émettre des photons, les chercheurs ont envoyé un photon pour s’emmêler avec l’atome de silicium au premier nœud. Le même photon a ensuite fait le tour de la boucle de la fibre optique et est revenu frôler le deuxième atome de silicium, l’enchevêtrant ainsi avec le premier.

Pan a calculé qu’au rythme actuel des progrès, son équipe devrait être capable d’ici la fin de la décennie d’établir un enchevêtrement sur 1 000 kilomètres de fibres optiques à l’aide d’une dizaine de nœuds intermédiaires, grâce à une procédure appelée échange d’enchevêtrement. (Au début, une telle liaison serait très lente, créant peut-être un enchevêtrement par seconde, ajoute-t-il.) Pan est le principal chercheur d’un projet utilisant le satellite. Miciusqui a démontré les premières communications quantiques dans l’espace, et il dit qu’il existe des plans pour une mission de suivi.

«Le pas est désormais réellement franchi du laboratoire au terrain», déclare Hanson. « Cela ne veut pas dire que c’est encore utile commercialement, mais c’est un grand pas en avant. »

Cet article est reproduit avec autorisation et a été première publication le 15 mai 2024.