Les ingénieurs de l’Université Northwestern ont réalisé des progrès remarquables dans le domaine de l’informatique et de la communication quantiques, en démontrant la téléportation quantique via un câble à fibre optique standard qui transporte déjà le trafic Internet quotidien.
Ce développement montre que la communication quantique pourrait ne pas nécessiter de lignes dédiées, ce qui ouvre la voie à une intégration plus facile et plus répandue du partage de données quantiques et classiques.
Chemin vers les réseaux quantiques
L’actualité tourne autour de l’idée selon laquelle les signaux quantiques – des informations transportées par de délicates particules de lumière appelées photons – peuvent voyager parallèlement au trafic Internet quotidien sans perdre leur intégrité.
Cette percée démontre la téléportation quantique, un processus par lequel l’état d’une particule (comme un photon) est transféré à une autre particule distante sans que la particule initiale ne bouge physiquement.
La science derrière la téléportation quantique
En utilisant des photons intriqués, cette méthode permet un partage de données sécurisé et quasi instantané et ouvre la voie aux futurs réseaux quantiques.
L’équipe de recherche a testé avec succès une configuration qui permet aux informations quantiques de se faufiler sans interférence dans le flux intense de données Internet régulières.
Cette réalisation surmonte l’un des plus grands obstacles pour faire des réseaux quantiques une réalité pratique.
Prem Kumarqui a supervisé la recherche, est professeur de génie électrique et informatique à l’Université Northwestern. École d’ingénierie McCormick.
Il est connu pour ses contributions à la communication quantique et est directeur du Center for Photonic Communication and Computing.
Dans leurs travaux récents, Kumar et ses collaborateurs introduisent une nouvelle façon de penser les signaux quantiques aux côtés de leurs homologues classiques.
Intrication dans la communication quantique
La téléportation quantique se distingue par le fait qu’elle utilise l’intrication comme moyen d’échanger des informations sans envoyer physiquement de matière à distance. Le concept remonte à Einstein, Podolskiet Rosen en 1935.
Les scientifiques ont depuis testé l’intrication quantique dans les laboratoires, aboutissant à la proposition formelle de téléportation quantique en 1993.
L’un des plus grands attraits de la téléportation quantique est qu’elle peut se produire presque aussi vite que la lumière se déplace. Les photons peuvent s’enchevêtrer, de sorte qu’effectuer une mesure sur l’un d’entre eux affecte instantanément son partenaire, quelle que soit sa distance.
« C’est incroyablement excitant parce que personne ne pensait que c’était possible ; nos travaux montrent une voie vers des réseaux quantiques et classiques de nouvelle génération partageant une infrastructure de fibre optique unifiée. Fondamentalement, cela ouvre la porte à une poussée des communications quantiques vers un niveau supérieur », s’est enthousiasmé Kumar.
Protéger les photons délicats
Garantir un chemin dégagé pour les photons uniques implique bien plus que simplement les ajouter à un câble actif. Le trafic Internet ordinaire repose généralement sur des millions de particules lumineuses, de sorte qu’une poignée de photons quantiques peuvent facilement se perdre ou être submergés.
Le Nord-Ouest L’équipe a réalisé des études détaillées sur la façon dont la lumière se disperse à l’intérieur du câble pour voir s’il existait une longueur d’onde spécifique moins encombrée.
Ils ont identifié ce point idéal et ajouté des filtres spéciaux pour réduire le bruit généré par le trafic de données normal.
« La téléportation quantique a la capacité de fournir une connectivité quantique sécurisée entre des nœuds géographiquement distants », a déclaré Kumar.
Des travaux antérieurs suggéraient que les réseaux quantiques à grande échelle pourraient nécessiter des systèmes spécialisés. Ses découvertes révèlent que cela pourrait ne pas être strictement nécessaire si les signaux sont positionnés au bon endroit dans le spectre.
Premier test sur les canaux occupés
Les démonstrations antérieures de téléportation quantique impliquaient généralement des paramètres vierges ou des fibres dédiées.
Quelques chercheurs croyait que des câbles du monde réel, regorgeant de signaux, étoufferaient la faible lumière quantique. Cette hypothèse s’est avérée fausse.
Lors de tests effectués à Northwestern, les chercheurs ont fait passer des signaux quantiques et des communications classiques sur le même câble à fibre optique sans qu’ils n’entrent en collision.
Ils ont mesuré dans quelle mesure les informations quantiques arrivaient à destination et ont confirmé qu’elles étaient toujours correctes à l’autre bout.
« Notre travail montre la voie vers des réseaux quantiques et classiques de nouvelle génération », a résumé Kumar.
Infrastructure du monde réel
Le plan immédiat est d’étendre le système à des trajets plus longs, puis de passer à des connexions souterraines par fibre optique.
Le groupe estime qu’un éventuel passage aux câbles du monde réel pourrait être la prochaine étape. S’appuyant sur la téléportation à paire unique, ils souhaitent également expérimenter plusieurs paires de photons intriqués pour réaliser une autre étape cruciale connue sous le nom d’échange d’intrication.
Si cette étape est franchie, les réseaux quantiques pourraient commencer à prendre forme à travers les régions plutôt qu’entre deux points seulement.
Pour les opérations critiques dans les domaines de la finance, de la défense et de la gestion des données, ces réseaux pourraient offrir des connexions plus sécurisées grâce au secret inhérent aux méthodes quantiques, où toute falsification est immédiatement perceptible.
Applications plus larges
La capacité de prendre en charge les connexions quantiques sans installer de câbles spéciaux rend de nombreuses nouvelles idées plus viables.
L’informatique quantique distribuée, qui repose sur la liaison de plusieurs ordinateurs quantiques situés à différents endroits, serait plus simple à mettre en place.
Les tâches de détection de distance et la métrologie avancée pourraient également bénéficier de liens quantiques plus stables.
Même au-delà de l’informatique, les réseaux quantiques ont le potentiel de stimuler de nouvelles technologies dans les domaines du chiffrement, de l’imagerie et des expériences de physique fondamentale.
Les chercheurs ont également discuté de l’utilisation de l’intrication quantique pour synchroniser des horloges distantes ou pour partager des nombres aléatoires pour la cryptographie avec des niveaux de sécurité sans précédent.
Importance de la téléportation quantique
La téléportation quantique est passée d’une théorie fascinante à un outil de plus en plus pratique.
Bien qu’il ne soit jamais simple d’intégrer des signaux quantiques délicats, la réussite du groupe Northwestern donne l’impression qu’une telle intégration est à portée de main.
De nombreux experts estiment que la construction d’infrastructures spécialisées constitue un coût inévitable des réseaux quantiques.
Selon le rapport de Kumar, si les longueurs d’onde sont choisies avec soin, les signaux classiques et les informations quantiques peuvent très bien coexister. Cette ligne de pensée évite aux organisations d’installer de nouveaux réseaux de câbles entiers.
Travaux futurs sur la téléportation quantique
Dans les travaux à venir, les chercheurs prévoient d’étendre la portée de leur approche à des segments plus longs pour confirmer que la méthode reste stable à mesure que les câbles s’étendent bien au-delà du laboratoire. Ils concevront également une démonstration multi-nœuds pour vérifier qu’elle peut gérer plus d’un seul lien.
Il y a beaucoup d’enthousiasme à l’idée que les canaux de communication existants, une fois parfaitement réglés, pourraient transporter des données quantiques vers des points éloignés.
Avec de telles possibilités à l’horizon, la téléportation quantique pourrait passer d’un concept théorique à un outil qui transforme la communication.
L’avenir pourrait voir les réseaux quantiques et classiques fonctionner côte à côte d’une manière qui semblait autrefois improbable.
L’étude est publiée dans la revue Optique.
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