L’essor de la recherche sur l’informatique quantique a permis de faire passer la notion d’ordinateur quantique de la fiction à la réalité en seulement quelques années. Si aucun ordinateur quantique effectif n’est encore opérationnel, de nombreux laboratoires ont déjà mis au point des prototypes encourageants. Mais l’un des buts ultimes de la recherche dans ce domaine est de pouvoir à long terme placer ces ordinateurs en réseau afin de former un véritable Internet quantique. Et dans ce cadre, une équipe de chercheurs a développé le tout premier protocole de couche de liaison quantique.
Les chercheurs du QuTech ont réalisé une première mondiale dans le développement d’un Internet quantique. Une équipe dirigée par le professeur Stephanie Wehner a développé un protocole dit de couche de liaison, qui transforme le phénomène d’intrication quantique en un réseau quantique effectif. L’étude a été publiée sur le serveur de pré-publication arXiv.
En informatique classique, un ensemble de couches logicielles appelé pile réseau permet aux ordinateurs de communiquer entre eux. La pile de réseau est sous-jacente à des protocoles de communication, tel que le protocole HTTP. Stephanie Wehner explique que l’un des protocoles essentiels utilisés par un réseau est le protocole de couche de liaison, qui résout les problèmes causés par un matériel imparfait.
« Nous utilisons tous les protocoles de couche de liaison classiques dans la vie quotidienne. Un exemple est le Wi-Fi, qui permet à un signal radio — souffrant d’interruptions et d’interférences — d’être utilisé pour transmettre des données de manière fiable entre appareils compatibles ».
L’incompatibilité des protocoles classiques avec un Internet quantique
Un réseau quantique, basé sur la transmission de bits quantiques (ou qubits), requiert le même niveau de fiabilité. « Dans nos travaux, nous avons proposé une pile de réseau quantique et avons construit le premier protocole de couche de liaison au monde pour un réseau quantique ».
Il s’avère que les protocoles classiques existants ne peuvent fonctionner dans le monde quantique. Un défi est présenté par les différences entre les technologies utilisées. « Actuellement, les qubits ne peuvent pas être gardés en mémoire très longtemps. Cela signifie que les décisions de contrôle sur leur utilisation doivent être prises très rapidement. En créant ce protocole de couche de liaison, nous avons surmonté les obstacles présentés par une physique très exigeante ».
Un protocole pour gérer le phénomène d’intrication quantique
Il existe également des différences fondamentales entre un futur Internet quantique et l’Internet que nous voyons aujourd’hui. Stephanie Wehner indique que deux bits quantiques peuvent être intriqués. « Une telle intrication est comme une connexion. Ceci est très différent de la situation pour les protocoles de couche liaison classiques, où nous n’envoyons généralement que des signaux. Dans ce cas, il n’existe aucun sens de connexion intégré à un niveau fondamental ».
Le chercheur Axel Dahlberg explique que cela permettait une toute nouvelle gamme d’applications. « La sécurité en est une application importante. Il est physiquement impossible d’écouter une connexion réseau intriquée entre deux utilisateurs. Pour donner un autre exemple, la technologie permet également une synchronisation améliorée des horloges. Une autre application intéressante : la synchronisation de télescopes spatiaux très éloignés les uns des autres, qui agiraient comme un gigantesque télescope unique ».
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Une compatibilité matérielle assurée
Le chercheur Matthew Skrzypczyk explique qu’une caractéristique importante de la pile de réseau quantique proposée et du protocole de couche de liaison est que tout logiciel futur écrit à l’aide de ce protocole sera compatible avec de nombreuses plates-formes de matériel quantique.
« Quelqu’un qui utilise notre protocole de couche de liaison n’a plus besoin de savoir quel est le matériel quantique sous-jacent. Dans notre article, nous étudions les performances du protocole sur les centres Nitrogen-Vacancy en diamant, qui sont essentiellement de petits ordinateurs quantiques. Cependant, notre protocole peut également être implémenté sur des pièges à ions, par exemple. Cela signifie également que notre protocole de couche de liaison peut être utilisé à l’avenir sur de nombreux types de matériel quantique ».
Tester le nouveau protocole dans le cadre d’un véritable réseau quantique
Stephanie Wehner indique que la prochaine étape consistera à tester et à démontrer un nouveau protocole de couche réseau utilisant le protocole de couche de liaison. « Notre protocole de couche de liaison nous permet de générer de manière fiable une intrication entre deux nœuds de réseau connectés par un lien physique direct, tel qu’un réseau de télécommunication ».
« L’étape suivante consiste à créer une intrication entre des nœuds de réseau qui ne sont pas connectés directement par une fibre, à l’aide d’un nœud intermédiaire. Pour réaliser des réseaux quantiques à grande échelle, il est important de dépasser le cadre d’une expérience physique, vers la conception d’un système de réseau quantique ».