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Le premier réseau quantique multinœud au monde est une percée pour l’Internet quantique

Les scientifiques ont fait un pas de plus vers un internet quantique en créant le premier réseau quantique multinœud au monde.

Des chercheurs du centre de recherche QuTech aux Pays-Bas ont créé le système, qui est composé de trois nœuds quantiques enchevêtrés par les lois fantasmagoriques de mécanique quantique qui régissent les particules subatomiques. C’est la première fois que plus de deux bits quantiques, ou «qubits», qui effectuent les calculs en informatique quantique, sont reliés entre eux en tant que «nœuds» ou points de terminaison de réseau.

Les chercheurs s’attendent à ce que les premiers réseaux quantiques débloquent une multitude d’applications informatiques qui ne peuvent pas être exécutées par les appareils classiques existants – comme un calcul plus rapide et une cryptographie améliorée.

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« Cela nous permettra de connecter des ordinateurs quantiques pour plus de puissance de calcul, de créer des réseaux non piratables et de connecter des horloges atomiques et des télescopes avec des niveaux de coordination sans précédent », Matteo Pompili, membre de l’équipe de recherche QuTech qui a créé le réseau à l’Université de technologie de Delft aux Pays-Bas, a déclaré à 45Secondes.fr. « Il existe également de nombreuses applications que nous ne pouvons pas vraiment prévoir. L’une d’entre elles pourrait être de créer un algorithme qui organisera les élections de manière sécurisée, par exemple. »

De la même manière que le bit d’ordinateur traditionnel est l’unité de base de l’information numérique, le qubit est l’unité de base de l’information quantique. Comme le bit, le qubit peut être un 1 ou un 0, qui représentent deux positions possibles dans un système à deux états.

Mais c’est à peu près là que s’arrêtent les similitudes. Grâce aux lois bizarres du monde quantique, le qubit peut exister dans une superposition des états 1 et 0 jusqu’au moment où il est mesuré, quand il s’effondrera aléatoirement en un 1 ou un 0. Ce comportement étrange est la clé à la puissance de l’informatique quantique, car il permet à un qubit d’effectuer plusieurs calculs simultanément.

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Le plus grand défi pour relier ces qubits ensemble dans un réseau quantique est d’établir et de maintenir un processus appelé intrication, ou ce qu’Albert Einstein a surnommé «l’action effrayante à distance». C’est à ce moment que deux qubits se couplent, reliant leurs propriétés de sorte que tout changement dans une particule provoquera un changement dans l’autre, même s’ils sont séparés par de grandes distances.

Vous pouvez enchevêtrer les nœuds quantiques de nombreuses manières, mais une méthode courante consiste à enchevêtrer d’abord les qubits stationnaires (qui forment les nœuds du réseau) avec des photons, ou des particules de lumière, avant de se déclencher les photons les uns sur les autres. Lorsqu’ils se rencontrent, les deux photons s’entremêlent également, enchevêtrant ainsi les qubits. Cela lie les deux nœuds stationnaires séparés par une distance. Toute modification apportée à l’un se traduit par une modification instantanée à l’autre.

« Action effrayante à distance » permet aux scientifiques de changer l’état d’une particule en modifiant l’état de son partenaire intriqué distant, téléportant efficacement les informations à travers de grandes lacunes. Mais maintenir un état d’intrication est une tâche difficile, d’autant plus que le système intriqué risque toujours d’interagir avec le monde extérieur et d’être détruit par un processus appelé décohérence.

Cela signifie, tout d’abord, que les nœuds quantiques doivent être maintenus à des températures extrêmement froides à l’intérieur de dispositifs appelés cryostats pour minimiser les chances que les qubits interfèrent avec quelque chose à l’extérieur du système. Deuxièmement, les photons utilisés dans l’intrication ne peuvent pas parcourir de très longues distances avant d’être absorbés ou diffusés, ce qui détruit le signal envoyé entre deux nœuds.

« Le problème est que, contrairement aux réseaux classiques, vous ne pouvez pas amplifier les signaux quantiques. Si vous essayez de copier le qubit, vous détruisez la copie originale », a déclaré Pompili, se référant au « théorème de non-clonage » de la physique, qui déclare que c’est impossible pour créer une copie identique d’un état quantique inconnu. « Cela limite vraiment les distances auxquelles nous pouvons envoyer des signaux quantiques à des dizaines de centaines de kilomètres. Si vous voulez mettre en place une communication quantique avec quelqu’un à l’autre bout du monde, vous aurez besoin de nœuds de relais entre les deux. »

Pour résoudre le problème, l’équipe a créé un réseau à trois nœuds, dans lequel les photons «passent» essentiellement l’intrication d’un qubit à l’un des nœuds externes à un au nœud du milieu. Le nœud du milieu a deux qubits – un pour acquérir un état intriqué et un pour le stocker. Une fois que l’intrication entre un nœud externe et le nœud du milieu est stockée, le nœud du milieu enchevêtre l’autre nœud externe avec son qubit de réserve. Avec tout cela fait, le nœud du milieu enchevêtre ses deux qubits, provoquant l’enchevêtrement des qubits des nœuds externes.

Mais concevoir cette étrange rotation mécanique quantique sur le classique « puzzle de traversée de rivière » était le moindre des problèmes des chercheurs – une idée étrange, bien sûr, mais pas trop délicate. Pour fabriquer les photons intriqués et les transmettre aux nœuds de la bonne manière, les chercheurs ont dû utiliser un système complexe de miroirs et de lumière laser. La partie la plus difficile était le défi technologique consistant à réduire le bruit gênant dans le système, ainsi qu’à s’assurer que tous les lasers utilisés pour produire les photons étaient parfaitement synchronisés.

« Nous parlons d’avoir trois à quatre lasers pour chaque nœud, donc vous commencez à avoir 10 lasers et trois cryostats qui doivent tous fonctionner en même temps, ainsi que toute l’électronique et la synchronisation », a déclaré Pompili.

Le système à trois nœuds est particulièrement utile car le qubit de mémoire permet aux chercheurs d’établir un enchevêtrement à travers le réseau nœud par nœud, plutôt que l’exigence plus exigeante de tout faire en même temps. Dès que cela est fait, les informations peuvent être transmises à travers le réseau.

Certaines des prochaines étapes des chercheurs avec leur nouveau réseau seront d’essayer cette transmission d’informations, ainsi que d’améliorer les composants essentiels des capacités informatiques du réseau afin qu’ils puissent fonctionner comme le font les réseaux informatiques ordinaires. Tous ces éléments détermineront l’échelle que le nouveau réseau quantique pourrait atteindre.

Ils veulent également voir si leur système leur permettra d’établir un enchevêtrement entre Delft et La Haye, deux villes néerlandaises distantes d’environ 10 kilomètres.

« À l’heure actuelle, tous nos nœuds se trouvent dans un rayon de 10 à 20 mètres [32 to 66 feet] les uns des autres « , a déclaré Pompili. » Si vous voulez quelque chose d’utile, vous devez parcourir des kilomètres. Ce sera la première fois que nous allons faire un lien entre de longues distances. « 

Les chercheurs ont publié leurs résultats le 16 avril dans la revue La science.

Publié à l’origine sur 45Secondes.fr.

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