La promesse et le défi d'Internet quantique
Un Internet quantique serait fondamentalement différent de l'Internet classique qui connecte le monde aujourd'hui. Plutôt que de transmettre des informations codées en bits classiques, un réseau quantique distribuerait des informations quantiques codées en qubits, exploitant les propriétés de l'enchevêtrement quantique pour permettre des applications physiquement impossibles avec la communication classique. La distribution de clés quantiques fournit un chiffrement théoriquement incassable. L'informatique quantique distribuée pourrait lier des processeurs quantiques en systèmes plus puissants qu'une seule machine. Les capteurs quantiques en réseau pourraient atteindre des sensibilités au-delà des limites de la mesure classique.
Le défi a été la mise en œuvre. Les états quantiques sont extraordinairement fragiles : ils s'effondrent lorsqu'ils sont mesurés, se décohérent lorsqu'ils interagissent avec leur environnement, et ne peuvent pas être amplifiés par les stations de répétiteurs classiques qui étendent les signaux Internet classiques sur les distances. Construire un réseau quantique capable de maintenir l'enchevêtrement sur plus de quelques kilomètres a été le défi d'ingénierie central du réseautage quantique au cours des deux dernières décennies.
Pourquoi les diamants
Le diamant est un matériau inhabituel pour une application technologique, mais pour le réseautage quantique, il possède des propriétés uniques et bien adaptées. Le centre azote-lacune (NV) dans le diamant—un défaut cristallin où un atome d'azote s'assoit adjacent à une lacune dans le réseau de diamant—est un système quantique qui peut être initialisé, manipulé et lu à l'aide de champs laser et micro-ondes. C'est l'un d'un petit nombre de systèmes quantiques à l'état solide qui peuvent être exploités à température ambiante plutôt que de nécessiter un refroidissement millikelvin, ce qui est un avantage pratique significatif pour le déploiement des infrastructures.
Les centres NV dans le diamant peuvent être enchevêtrés avec des photons et, par ces photons, avec d'autres centres NV à des endroits éloignés. Ils ont des temps de cohérence relativement longs—les informations quantiques peuvent être préservées pendant des microsecondes ou plus, ce qui est assez long pour mettre en œuvre des protocoles de correction d'erreurs quantiques. Et ils émettent des photons uniques dans une plage de longueur d'onde qui peut être couplée aux fibres optiques, ce qui les rend compatibles avec l'infrastructure de fibres existante.
Ce que la percée a réalisé
La percée signalée implique la génération fiable d'enchevêtrement entre des nœuds quantiques en diamant à des distances et des taux qui représentent une étape significative vers les segments pratiques de réseau quantique. Les démonstrations précédentes avaient atteint l'enchevêtrement entre les centres NV mais avec des taux de succès très faibles—la génération d'enchevêtrement nécessite que les deux nœuds émettent simultanément des photons qui arrivent à une station de mesure centrale, et la combinaison de l'efficacité d'émission de photons, des pertes de transmission en fibre et de l'efficacité du détecteur signifiait qu'un événement d'enchevêtrement réussi ne pouvait se produire qu'une fois tous les plusieurs minutes.
L'avancée de l'équipe allemande améliore le taux de génération d'enchevêtrement grâce à une combinaison d'amélioration de la qualité des échantillons de diamant—réduisant les défauts cristallins et la contrainte qui dégradent l'émission des centres NV—et du couplage optique optimisé entre les centres NV et le réseau de fibres. La génération d'enchevêtrement de meilleure qualité, avec une meilleure fidélité, permet les protocoles de correction d'erreurs quantiques qui sont nécessaires pour construire des liens de réseau quantique plus longs en enchaînant ensemble des segments plus courts.
Le chemin vers l'infrastructure du réseau quantique
Un Internet quantique fonctionnel nécessite non seulement des nœuds quantiques individuels qui peuvent être enchevêtrés, mais aussi des répétiteurs quantiques qui peuvent étendre l'enchevêtrement sur de longues distances en créant l'enchevêtrement en segments et en connectant ensuite ces segments par des opérations d'échange d'enchevêtrement. Les centres NV en diamant sont l'une des principales plates-formes candidates pour les nœuds de répétiteurs quantiques, aux côtés des ions piégés, des atomes neutres et des systèmes de défauts à base de silicium.
La recherche actuelle porte sur l'une des métriques de performance clés qui détermine si une plate-forme est viable pour les répétiteurs quantiques : le taux de génération d'enchevêtrement et la fidélité entre les nœuds voisins. Si cette métrique peut être poussée au niveau où plusieurs opérations d'échange d'enchevêtrement peuvent être effectuées dans le temps de cohérence des nœuds quantiques, des réseaux quantiques de longue distance deviennent faisables.
L'Allemagne a été l'un des pays leaders en matière de recherche en réseautage quantique, avec des investissements fédéraux importants dans l'infrastructure de banc d'essai Internet quantique et les programmes de collaboration académique-industrie. La recherche s'appuie sur plusieurs années d'améliorations progressives de la performance du centre NV en diamant et représente une étape importante dans ce programme qui rapproche l'échéance des démonstrations pratiques de réseaux quantiques.
Implications commerciales et de sécurité
Le réseautage quantique a attiré des investissements importants de la part des gouvernements et des entreprises privées, motivés principalement par les applications de sécurité. La distribution de clés quantiques, l'application de réseautage quantique la plus mature, génère des clés de chiffrement dont la sécurité est garantie par les lois de la physique plutôt que par la dureté computationnelle des problèmes mathématiques. Alors que les ordinateurs quantiques qui pourraient casser le chiffrement à clé publique actuelle se rapprochent de la capacité pratique, la communication sécurisée quantique devient stratégiquement importante.
Plusieurs entreprises, dont ID Quantique et Toshiba, ont déployé des systèmes QKD commerciaux sur des réseaux de fibres métropolitains. La recherche en réseautage quantique basé sur le diamant vise un niveau différent : la technologie du répétiteur quantique qui étendrait le réseautage quantique sur les longues distances—des centaines à des milliers de kilomètres—requises pour l'infrastructure de communications quantiques sécurisées nationales et internationales.
Cet article est basé sur les reportages d'Interesting Engineering. Lire l'article original.
Originally published on interestingengineering.com
