“L’Internet quantique” se rapproche avec une avancée dans la téléportation des données

De Santa Barbara, en Californie, à Hefei, en Chine, les scientifiques développent un nouveau type d’ordinateur qui fera ressembler les machines d’aujourd’hui à des jouets.

Exploitant les pouvoirs mystérieux de la mécanique quantique, la technologie effectuera des tâches en quelques minutes que même les superordinateurs ne pourraient pas accomplir depuis des milliers d’années. À l’automne 2019, Google a dévoilé un ordinateur quantique expérimental montrant que c’était possible. Deux ans plus tard, un laboratoire en Chine a fait à peu près la même chose.

Mais l’informatique quantique n’atteindra pas son potentiel sans l’aide d’une autre percée technologique. Appelez cela un “Internet quantique” – un réseau informatique qui peut envoyer des informations quantiques entre des machines distantes.

À l’Université de technologie de Delft aux Pays-Bas, une équipe de physiciens a franchi une étape importante vers ce réseau informatique du futur, en utilisant une technique appelée téléportation quantique pour envoyer des données à travers trois emplacements physiques. Auparavant, cela était possible avec seulement deux.

La nouvelle expérience indique que les scientifiques peuvent étendre un réseau quantique sur un nombre de plus en plus grand de sites. “Nous construisons actuellement de petits réseaux quantiques en laboratoire”, a déclaré Ronald Hanson, le physicien de Delft qui supervise l’équipe. “Mais l’idée est de construire éventuellement un Internet quantique.”

Leurs recherches, dévoilées cette semaine avec un article publié dans la revue scientifique Nature, démontrent la puissance d’un phénomène qu’Albert Einstein jugeait autrefois impossible. La téléportation quantique – ce qu’il a appelé «une action effrayante à distance» – peut transférer des informations entre des emplacements sans réellement déplacer la matière physique qui les contient.

Cette technologie pourrait profondément changer la façon dont les données voyagent d’un endroit à l’autre. Il s’appuie sur plus d’un siècle de recherche impliquant la mécanique quantique, un domaine de la physique qui régit le domaine subatomique et se comporte différemment de tout ce que nous vivons dans notre vie quotidienne. La téléportation quantique déplace non seulement les données entre les ordinateurs quantiques, mais elle le fait également de manière à ce que personne ne puisse les intercepter.

“Cela signifie non seulement que l’ordinateur quantique peut résoudre votre problème, mais aussi qu’il ne sait pas quel est le problème”, a déclaré Tracy Eleanor Northup, chercheuse à l’Institut de physique expérimentale de l’Université d’Innsbruck, qui explore également la téléportation quantique. « Ça ne marche pas comme ça aujourd’hui. Google sait ce que vous exécutez sur ses serveurs. »

Un ordinateur quantique puise dans les étranges façons dont certains objets se comportent s’ils sont très petits (comme un électron ou une particule de lumière) ou très froids (comme un métal exotique refroidi presque à zéro absolu, ou moins 460 degrés Fahrenheit). Dans ces situations, un seul objet peut se comporter comme deux objets distincts en même temps.

Les ordinateurs traditionnels effectuent des calculs en traitant des “bits” d’information, chaque bit contenant soit un 1 soit un 0. En exploitant le comportement étrange de la mécanique quantique, un bit quantique, ou qubit, peut stocker une combinaison de 1 et 0 – un peu comme la façon dont une pièce de monnaie qui tourne contient la possibilité alléchante qu’elle fasse face ou face lorsqu’elle tombe finalement à plat sur la table.

Cela signifie que deux qubits peuvent contenir quatre valeurs à la fois, trois qubits peuvent en contenir huit, quatre peuvent en contenir 16, etc. À mesure que le nombre de qubits augmente, un ordinateur quantique devient exponentiellement plus puissant.

Les chercheurs pensent que ces appareils pourraient un jour accélérer la création de nouveaux médicaments, faire progresser l’intelligence artificielle et casser sommairement le cryptage qui protège les ordinateurs vitaux pour la sécurité nationale. Partout dans le monde, les gouvernements, les laboratoires universitaires, les start-ups et les géants de la technologie dépensent des milliards de dollars pour explorer la technologie.

En 2019, Google a annoncé que sa machine avait atteint ce que les scientifiques appellent la “suprématie quantique”, ce qui signifiait qu’elle pouvait effectuer une tâche expérimentale impossible avec les ordinateurs traditionnels. Mais la plupart des experts pensent que plusieurs années s’écouleront encore – à tout le moins – avant qu’un ordinateur quantique puisse réellement faire quelque chose d’utile que vous ne pouvez pas faire avec une autre machine.

Une partie du défi réside dans le fait qu’un qubit se brise, ou “décohère”, si vous lisez des informations à partir de celui-ci – il devient un bit ordinaire capable de contenir uniquement un 0 ou un 1, mais pas les deux. Mais en enchaînant de nombreux qubits ensemble et en développant des moyens de se prémunir contre la décohérence, les scientifiques espèrent construire des machines à la fois puissantes et pratiques.

En fin de compte, idéalement, ceux-ci seraient reliés à des réseaux capables d’envoyer des informations entre les nœuds, ce qui leur permettrait d’être utilisés de n’importe où, tout comme les services de cloud computing de Google et d’Amazon rendent la puissance de traitement largement accessible aujourd’hui.

Mais cela vient avec ses propres problèmes. En partie à cause de la décohérence, les informations quantiques ne peuvent pas simplement être copiées et envoyées sur un réseau traditionnel. La téléportation quantique offre une alternative.

Bien qu’il ne puisse pas déplacer des objets d’un endroit à l’autre, il peut déplacer des informations en tirant parti d’une propriété quantique appelée “intrication”: un changement d’état d’un système quantique affecte instantanément l’état d’un autre système distant.

“Après l’enchevêtrement, vous ne pouvez plus décrire ces états individuellement”, a déclaré le Dr Northup. “Fondamentalement, c’est maintenant un système.”

Ces systèmes intriqués pourraient être des électrons, des particules de lumière ou d’autres objets. Aux Pays-Bas, le Dr Hanson et son équipe ont utilisé ce qu’on appelle un centre de lacune d’azote – un minuscule espace vide dans un diamant synthétique dans lequel les électrons peuvent être piégés.

L’équipe a construit trois de ces systèmes quantiques, nommés Alice, Bob et Charlie, et les a connectés en ligne avec des brins de fibre optique. Les scientifiques pourraient alors emmêler ces systèmes en envoyant des photons individuels – des particules de lumière – entre eux.

Tout d’abord, les chercheurs ont intriqué deux électrons, l’un appartenant à Alice, l’autre à Bob. En effet, les électrons ont reçu le même spin, et ont donc été joints, ou intriqués, dans un état quantique commun, chacun stockant la même information : une combinaison particulière de 1 et 0.

Les chercheurs pourraient alors transférer cet état quantique à un autre qubit, un noyau de carbone, à l’intérieur du diamant synthétique de Bob. Cela a libéré l’électron de Bob, et les chercheurs ont alors pu l’emmêler avec un autre électron appartenant à Charlie.

En effectuant une opération quantique spécifique sur les deux qubits de Bob – l’électron et le noyau de carbone – les chercheurs ont ensuite pu coller les deux enchevêtrements ensemble : Alice plus Bob collés à Bob plus Charlie.

Le résultat : Alice s’est retrouvée mêlée à Charlie, ce qui a permis aux données de se téléporter sur les trois nœuds.

Lorsque les données voyagent de cette façon, sans réellement parcourir la distance entre les nœuds, elles ne peuvent pas être perdues. “Les informations peuvent être introduites d’un côté de la connexion, puis apparaître de l’autre”, a déclaré le Dr Hanson.

Les informations ne peuvent pas non plus être interceptées. Un futur Internet quantique, alimenté par la téléportation quantique, pourrait fournir un nouveau type de cryptage théoriquement incassable.

Dans la nouvelle expérience, les nœuds du réseau n’étaient pas si éloignés – seulement environ 60 pieds. Mais des expériences antérieures ont montré que les systèmes quantiques peuvent être intriqués sur de plus longues distances.

L’espoir est qu’après plusieurs années de recherche, la téléportation quantique sera viable sur de nombreux kilomètres. “Nous essayons maintenant de faire cela en dehors du laboratoire”, a déclaré le Dr Hanson.