Harvard et le MIT font un pas décisif pour l'internet quantique

Les scientifiques américains ont fait un pas décisif vers le développement d'un internet quantique capable, par exemple, de protéger les messages contre les attaques des « kackers », d'améliorer la précision du GPS ou de faciliter l'informatique quantique sur le cloud. Ce lundi, la revue Nature a publié une étude réalisée par des experts de l'université de Harvard et du Massachusetts Institute of Technology (MIT), dans laquelle ils ont présenté un prototype de nœud quantique prêt à capturer, stocker et entrelacer des bits d'informations quantiques.

« Pendant deux décennies », expliquent les auteurs dans un communiqué, « les efforts pour créer un tel réseau quantique ont rencontré des difficultés pour transmettre des signaux quantiques sur de longues distances sans perte ». Ce prototype de nœud quantique, soulignent-ils, corrige cette perte de signal, courante aujourd'hui dans tout type de technologie de communication longue distance, que ce soit du premier télégraphe à l'actuel Internet par fibre optique. 

Par conséquent, il pourrait devenir la pièce maîtresse pour créer un internet quantique pratique et contribuer au développement des réseaux quantiques longue distance. « Cette démonstration représente une percée conceptuelle qui pourrait étendre la plus longue gamme possible de réseaux quantiques et permettre, en principe, de nombreuses nouvelles applications d'une manière qui est impossible avec les technologies existantes », déclare Mikhail Lukin, co-directeur de l'Initiative quantique de Harvard (HQI).

Dans les réseaux de communication actuels, les messages envoyés, par exemple, par deux personnes depuis des points éloignés « voyagent » sur une infrastructure plus ou moins linéaire et, sur leur chemin, passent par des répéteurs qui lisent et amplifient le signal et corrigent les erreurs. Ce processus, avertissent les experts, est vulnérable et exposé aux attaques. 

En revanche, si ces deux personnes veulent s'envoyer un message quantique, le processus change car leurs réseaux utilisent des particules de lumière quantiques (photons individuels) pour communiquer des états lumineux sur de longues distances. En outre, contrairement aux réseaux traditionnels, ces réseaux quantiques ont une capacité dite d'« entrelacement », qui permet de corréler parfaitement des bits d'information sur n'importe quelle distance.

Grâce à l'« entrelacement », les auteurs se distinguent, les messages sont invisibles s'il n'y a pas de changements et ils ne peuvent être ni espionnés ni interceptés, ce qui ouvre la porte au développement d'applications de cryptographie quantique. Toutefois, ils soulignent que les communications quantiques à longue distance peuvent également être affectées par la perte de photons conventionnelle et que cela a été, jusqu'à présent, le principal obstacle à la création d'un internet quantique à grande échelle. 

En outre, le même principe physique qui permet le développement de la communication quantique de haute sécurité empêche l'utilisation de répéteurs conventionnels pour faire face à la détérioration de l'information, car, s'ils ne peuvent pas détecter le signal invisible, ils ne peuvent pas non plus l'amplifier ou le corriger. La solution à ce problème a été trouvée à HQI et au MIT avec le développement d'un répéteur quantique.

Contrairement aux répéteurs traditionnels, qui amplifient le signal à travers un réseau existant, les répéteurs quantiques créent un réseau de particules entrelacées sur lequel un message peut être transmis. Ainsi, à chaque point du système, le répéteur peut capturer et traiter des bits d'informations quantiques pour corriger les erreurs et les stocker aussi longtemps que nécessaire afin que le reste du réseau soit prêt. 

Cependant, les experts n'ont pas pu le mettre en œuvre jusqu'à présent en raison de deux facteurs : la difficulté à piéger les photons individuels et la fragilité des informations quantiques, qui complique leur traitement et leur stockage sur de longues périodes. Dans ce sens, Lukin et ses collaborateurs ont travaillé avec des systèmes capables de remplir ces deux tâches, les « centres de couleur de vacance de silicium dans les diamants ».

Ces centres, précise-t-il, sont les minuscules défauts présents dans la structure atomique du diamant qui, en absorbant et en rayonnant la lumière, donnent naissance à la couleur brillante caractéristique de ce minéral. Ainsi, les experts ont intégré des centres de couleur individuels dans des cavités de diamant fabriquées avec la nanotechnologie pour confiner l'information portée par les photons et les forcer à interagir avec chaque centre. 

Puis, ils ont introduit ce dispositif dans un réfrigérateur à dilution, avec des températures proches du zéro absolu, et ont envoyé des photons individuels par des câbles de fibre optique à l'intérieur du réfrigérateur, où ils ont été piégés par le centre de couleur. Cet appareil peut stocker des informations quantiques pendant des millisecondes, suffisamment longtemps pour qu'elles soient transportées sur des milliers de kilomètres.

« Il combine les trois éléments les plus importants d'un répéteur quantique, une grande mémoire, la capacité de capturer efficacement les informations des photons et la façon de les traiter localement », ajoute Bart Machielse du laboratoire d'optique nanométrique de Harvard.