Une nouvelle méthode pourrait permettre de créer rapidement un réseau quantique transfrontalier

Les ordinateurs quantiques offrent de puissants moyens d’améliorer la cybersécurité, les communications et le traitement des données, entre autres domaines. Pour exploiter pleinement ces avantages, il faut toutefois connecter plusieurs ordinateurs quantiques pour créer des réseaux quantiques ou un Internet quantique. Les scientifiques ont du mal à trouver des méthodes pratiques pour construire de tels réseaux, qui doivent transmettre des informations quantiques sur de longues distances.

Des chercheurs de la Pritzker School of Molecular Engineering (PME) de l’université de Chicago ont proposé une nouvelle approche : construire de longs canaux quantiques à l’aide de tubes scellés sous vide et d’un réseau de lentilles espacées. Ces guides de faisceaux sous vide, d’environ 20 centimètres de diamètre, auraient une portée de plusieurs milliers de kilomètres et une capacité de plus de 1 013 qubits par seconde, soit mieux que toute autre approche de communication quantique existante. Les photons de lumière codant les données quantiques se déplaceraient à travers les tubes sous vide et resteraient focalisés grâce aux lentilles.

« Nous pensons que ce type de réseau est réalisable et qu’il a beaucoup de potentiel », a déclaré Liang Jiang, professeur d’ingénierie moléculaire et auteur principal de la nouvelle étude. « Il pourrait non seulement être utilisé pour la communication sécurisée, mais aussi pour construire des réseaux informatiques quantiques distribués, des technologies de détection quantique distribuées, de nouveaux types de télescopes et des horloges synchronisées. »

Jiang a collaboré avec des scientifiques de l’Université de Stanford et du California Institute of Technology sur ce nouveau travail, publié dans Lettres d’examen physique.

Envoi de qubits

Alors que les ordinateurs classiques codent les données en bits conventionnels, représentés par un 0 ou un 1, les ordinateurs quantiques s’appuient sur des qubits, qui peuvent présenter des phénomènes quantiques. Ces phénomènes incluent la superposition (une sorte de combinaison ambiguë d’états) ainsi que l’intrication, qui permet de corréler deux particules quantiques entre elles, même sur de grandes distances.

Ces propriétés confèrent aux ordinateurs quantiques la capacité d’analyser de nouveaux types de données et de stocker et transmettre des informations de manière nouvelle et sécurisée. La connexion de plusieurs ordinateurs quantiques peut les rendre encore plus puissants, car leurs capacités de traitement des données peuvent être mutualisées. Cependant, les réseaux généralement utilisés pour connecter des ordinateurs ne sont pas idéaux, car ils ne peuvent pas conserver les propriétés quantiques des qubits.

« On ne peut pas envoyer un état quantique via un réseau classique », explique Jiang. « On peut envoyer une donnée de manière classique, un ordinateur quantique peut la traiter, mais le résultat est ensuite renvoyé de manière classique. »

Certains chercheurs ont testé des méthodes permettant de transmettre des photons optiques, qui peuvent agir comme des qubits, à l’aide de câbles à fibres optiques et de satellites. Les photons peuvent parcourir une courte distance à travers les câbles à fibres optiques existants, mais perdent généralement rapidement leur information lorsqu’ils sont absorbés. Les photons qui rebondissent vers les satellites et reviennent au sol dans un nouvel endroit sont moins absorbés en raison du vide spatial, mais leur transmission est limitée par l’absorption de l’atmosphère et la disponibilité des satellites.

« Nous souhaitions combiner les avantages de chacune de ces approches précédentes », explique Yuexun Huang, étudiant diplômé du PME et premier auteur de la nouvelle étude. « Dans le vide, on peut envoyer beaucoup d’informations sans atténuation. Mais pouvoir le faire au sol serait idéal. »

Apprendre de LIGO

Des scientifiques travaillant à l’observatoire d’ondes gravitationnelles par interféromètre laser (LIGO) du California Institute of Technology ont construit d’énormes tubes à vide au sol pour contenir des photons lumineux en mouvement capables de détecter les ondes gravitationnelles. Les expériences menées au LIGO ont montré qu’à l’intérieur d’un vide presque exempt de molécules, les photons peuvent voyager sur des milliers de kilomètres.

Inspirés par cette technologie, Jiang, Huang et leurs collègues ont commencé à esquisser comment des tubes à vide plus petits pourraient être utilisés pour transporter des photons entre des ordinateurs quantiques. Dans leur nouveau travail théorique, ils ont montré que ces tubes, s’ils étaient conçus et disposés correctement, pourraient transporter des photons à travers le pays. De plus, ils n’auraient besoin que d’un vide moyen (10^-4 pression atmosphérique), qui est beaucoup plus facile à maintenir que le vide ultra-élevé (10^-11 pression atmosphérique) requise pour LIGO.

« Le principal défi est que lorsqu’un photon se déplace dans le vide, il s’étale un peu », explique Jiang. « Pour surmonter ce problème, nous proposons de placer des lentilles tous les quelques kilomètres qui peuvent focaliser le faisceau sur de longues distances sans perte de diffraction. »

En collaboration avec des chercheurs du Caltech, le groupe prévoit des expériences sur table pour tester la praticité de l’idée, puis prévoit d’utiliser des tubes à vide plus grands comme ceux de LIGO pour travailler sur la manière d’aligner les lentilles et de stabiliser les faisceaux de photons sur de longues distances.

« La mise en œuvre de cette technologie à plus grande échelle pose sans aucun doute des problèmes de génie civil que nous devons également résoudre », a déclaré Jiang. « Mais l’avantage ultime est que nous disposons de vastes réseaux quantiques capables de transmettre des dizaines de téraoctets de données par seconde. »