Au cours des dernières années, l’informatique quantique est devenue un domaine de recherche actif, l’objectif étant de parvenir à un moyen de contrôler, gérer et transférer efficacement l’information quantique (les qubits) afin de pouvoir effectuer certains calculs complexes et établir des réseaux de communication. Le développement d’un Internet quantique, pour la vitesse et la sécurité qu’il apporterait aux utilisateurs, est notamment un axe de recherche majoritaire. Et récemment, une collaboration d’institutions est parvenue pour la première fois à effectuer une téléportation quantique stable de qubits sur 22 km. Un tel résultat est extrêmement prometteur pour un futur Internet quantique, dont le mécanisme de téléportation quantique est un des éléments clés.
Dirigée par le Caltech, une collaboration entre le Fermilab, AT&T, l’Université Harvard, le Jet Propulsion Laboratory de la NASA et l’Université de Calgary, rapporte avoir mené avec succès une téléportation de qubits, l’unité de base de l’information quantique, sur 22 kilomètres de fibre dans deux bancs d’essai : le Caltech Quantum Network et le réseau quantique de Fermilab.
Bien que la collaboration savait qu’elle avait « obtenu des résultats significatifs » au printemps 2020, indique la physicienne Maria Spiropulu, ils se sont abstenus de partager les nouvelles, même de manière informelle sur les réseaux sociaux, jusqu’à la publication de l’étude complète cette semaine.
« Nous voulions repousser les limites de ce type de recherche et prendre des mesures importantes pour réaliser à la fois des applications réelles pour les communications et les réseaux quantiques et tester des idées de physique fondamentale. Donc, quand nous l’avons finalement fait, l’équipe était ravie, très fière d’avoir atteint ces résultats de haute qualité. Et nous sommes très heureux de pouvoir passer à la phase suivante, en utilisant le savoir-faire et les technologies de ce travail vers le déploiement de réseaux quantiques », déclare Panagiotis Spentzouris, responsable du programme des sciences quantiques au Fermilab.
Les chercheurs affirment que leur expérience utilise un équipement « prêt à l’emploi » compatible à la fois avec l’infrastructure de télécommunications existante et les technologies quantiques émergentes. Les résultats « fournissent une base réaliste pour un Internet quantique haute fidélité avec des dispositifs pratiques », selon l’étude publiée dans la revue PRX Quantum.
Téléportation d’états quantiques intriqués : la base d’un futur Internet quantique
La téléportation quantique n’implique pas le transfert réel de matière, mais fait intervenir des particules intriquées. L’étude visait à téléporter l’état des qubits, ou « bits quantiques », qui sont les unités de base de l’informatique quantique. Selon l’étude, les chercheurs ont mis en place ce qui est essentiellement un réseau compact avec trois nœuds : Alice, Charlie et Bob.
Dans cette expérience, Alice envoie un qubit à Charlie. Bob possède une paire de qubits intriqués et envoie également un qubit à Charlie, où il interfère avec le qubit d’Alice. Charlie projette le qubit d’Alice sur un état de Bell quantique intriqué qui transfère l’état du qubit original d’Alice au qubit restant de Bob.
La percée est notable pour plusieurs raisons. De nombreuses démonstrations précédentes de téléportation quantique se sont avérées instables sur de longues distances. Par exemple, en 2016, des chercheurs de l’Université de Calgary ont pu effectuer une téléportation quantique à une distance de six kilomètres. Il s’agissait du record du monde à l’époque et a été considéré comme une réalisation majeure.
Le but ultime est de créer des réseaux quantiques qui utiliseraient l’intrication et la superposition pour augmenter considérablement la vitesse de calcul, la puissance et la sécurité par rapport aux ordinateurs classiques. Par exemple, le département américain de l’énergie a un plan ambitieux pour construire un réseau quantique entre ses laboratoires nationaux.
Vers le développement de réseaux à plus grande échelle
Tout domaine qui repose sur les ordinateurs serait affecté par la réalisation de cette technologie, bien qu’une grande partie du potentiel futur des réseaux quantiques tourne autour de la cryptographie, des algorithmes de recherche, des services financiers et des simulations quantiques qui pourraient modéliser des phénomènes complexes.
L’informatique quantique fait parler d’elle depuis des années, et cette étude nous rapproche de sa réalisation à une échelle pratique. Maintenant que le Fermilab, Caltech et ses partenaires ont démontré cette étape clé vers ces réseaux, l’équipe prévoit de développer davantage la technologie de l’information quantique en construisant un réseau à l’échelle métropolitaine, appelé Illinois Express Quantum Network, autour de Chicago.
« Il y a de nombreux fronts que nous devons faire avancer. À la fois dans les applications de la communication quantique et des technologies de réseau et dans l’avancement de l’ingénierie des systèmes. Nous travaillons déjà d’arrache-pied au développement de l’architecture, des processus et des protocoles pour les réseaux quantiques et à l’optimisation de certaines mesures, notamment le taux de communication et la portée », conclut Spentzouris.