Imaginez des ordinateurs ultra rapides qui peuvent résoudre des problèmes beaucoup plus rapidement que les machines d’aujourd’hui. Ces « ordinateurs quantiques » sont développés dans les laboratoires du monde entier. Mais les scientifiques ont déjà franchi la prochaine étape et pensent à un internet quantique basé sur la lumière qui devra être aussi rapide.
Il n’est pas facile de développer une technologie pour un appareil qui n’a pas encore été inventé techniquement, mais la communication quantique est un domaine de recherche attrayant car la technologie nous permettra d’envoyer des messages beaucoup plus sécurisés.
Il y a plusieurs problèmes qui devront être résolus pour rendre possible un internet quantique:
Obtenir des ordinateurs quantiques pour se parler
Sécuriser les communications contre le piratage
Transmettre des messages sur de longues distances sans perdre certaines parties du message; et
Routage des messages sur un réseau quantique
Qu’est-ce qu’un ordinateur quantique?
Un ordinateur quantique est une machine capable de résoudre des problèmes incroyablement difficiles avec une vitesse incroyable – au-delà de celle des ordinateurs «classiques» d’aujourd’hui.
Dans les ordinateurs conventionnels, l’unité d’information est appelée « bit » et peut avoir une valeur de 1 ou 0. Mais son équivalent dans un système quantique – le qubit (bit quantique) – peut être à la fois 1 et 0 en même temps . Ce phénomène ouvre la porte à plusieurs calculs simultanés.
Cependant, les qubits doivent être synchronisés en utilisant un effet quantique connu sous le nom d’enchevêtrement, que Albert Einstein a appelé «action spooky à distance».
Il existe actuellement quatre types d’ordinateurs quantiques qui utilisent:
Particules légères
Les ions piégés
Qubits supraconducteurs
Centres de vacance d’azote dans les diamants
Les ordinateurs quantiques permettront une multitude d’applications utiles, telles que la possibilité de modéliser de nombreuses variations d’une réaction chimique pour découvrir de nouveaux médicaments; développer de nouvelles technologies d’imagerie pour les soins de santé afin de mieux détecter les problèmes dans le corps; ou pour accélérer la conception des batteries, des nouveaux matériaux et de l’électronique flexible.
Mise en commun de la puissance de calcul
Les ordinateurs quantiques peuvent être plus puissants que les ordinateurs classiques, mais certaines applications requièrent encore plus de puissance de calcul qu’un ordinateur quantique ne peut fournir seul.
Si vous pouvez vous connecter à des appareils quantiques, vous pouvez connecter plusieurs ordinateurs quantiques ensemble et mettre en commun leur puissance pour former un énorme ordinateur quantique.
Cependant, étant donné qu’il existe quatre types différents d’ordinateurs quantiques en construction aujourd’hui, ils ne pourront pas tous se parler sans aide.
Certains scientifiques privilégient un internet quantique entièrement basé sur des particules légères (photons), tandis que d’autres pensent qu’il serait plus facile de créer des réseaux quantiques où la lumière interagit avec la matière.
« La lumière est meilleure pour les communications, mais les qubits de matière sont meilleurs pour le traitement », explique Joseph Fitzsimons, chercheur principal au Centre of Quantum Technologies de l’Université nationale de Singapour.
« Vous avez besoin à la fois de faire fonctionner le réseau pour établir la correction d’erreur du signal, mais il peut être difficile de les faire interagir. »
Il est très coûteux et difficile de stocker toutes les informations dans les photons, dit M. Fitzsimons, parce que les photons ne peuvent pas se voir et passer tout droit au lieu de se rebondir les uns les autres. Au lieu de cela, il croit qu’il serait plus facile d’utiliser la lumière pour les communications, tout en stockant des informations en utilisant des électrons ou des atomes (dans la matière).
Chiffrement quantique
Une des applications clés de l’Internet quantique sera la distribution de clé quantique (QKD), grâce à laquelle une clé secrète est générée en utilisant une paire de photons intriqués, et est ensuite utilisée pour chiffrer l’information d’une manière impossible pour un ordinateur quantique à se fissurer .
Cette technologie existe déjà et a été démontrée pour la première fois dans l’espace par une équipe de chercheurs de l’Université nationale de Singapour et de l’Université de Strathclyde (Royaume-Uni) en décembre 2015.
Mais ce n’est pas seulement le cryptage que nous aurons besoin de construire pour sécuriser nos informations dans l’avenir quantique.
Les scientifiques travaillent également sur des «protocoles d’ordinateur quantiques aveugles», car ils permettent à l’utilisateur de cacher tout ce qu’il veut sur un ordinateur.
«Vous pouvez écrire quelque chose, l’envoyer à un ordinateur distant et la personne qui possède l’ordinateur ne peut rien dire à ce sujet, sauf le temps qu’il a fallu pour le faire fonctionner et la quantité de mémoire utilisée», explique M. Fitzsimons.
« C’est important car il n’y aura probablement pas beaucoup d’ordinateurs quantiques à leur apparition, donc les gens voudront les exécuter à distance, comme nous le faisons aujourd’hui dans le cloud ».
Il existe deux approches différentes pour construire des réseaux quantiques – un réseau terrestre et un réseau spatial.
Les deux méthodes fonctionnent bien pour envoyer régulièrement des bits de données sur Internet, mais si nous voulons envoyer des données sous forme de qubits à l’avenir, c’est beaucoup plus compliqué.
Pour envoyer des particules de lumière (photons), nous pouvons utiliser des câbles à fibres optiques dans le sol. Cependant, le signal lumineux se détériore sur de longues distances (un phénomène connu sous le nom de «décohérence»), car les câbles à fibres optiques absorbent parfois les photons.
Il est possible de contourner ce problème en construisant des «stations relais» tous les 50 km. Ceux-ci seraient essentiellement des laboratoires quantiques miniatures qui essaieraient de réparer le signal avant de l’envoyer au prochain noeud du réseau. Mais ce système viendrait avec ses propres complexités.
Terre ou espace?
Ensuite, il y a des réseaux spatiaux. Disons que vous voulez envoyer un message du Royaume-Uni à un ami en Australie. Le signal lumineux est transmis depuis une station terrestre au Royaume-Uni, vers un satellite avec une source de lumière montée dessus.
Le satellite envoie le signal lumineux à un autre satellite, qui transmet ensuite le signal vers une station au sol en Australie, puis le message peut être transmis à un autre par un réseau quantique au sol ou un réseau Internet classique.
«Parce qu’il n’y a pas d’air entre les satellites, il n’y a rien à dégrader le signal», explique le Dr Jamie Vicary, chercheur principal au département d’informatique de l’Université d’Oxford et membre du NQIT (Networked Quantum Information Technologies Hub).
« Si nous voulons avoir un internet quantique réellement à l’échelle mondiale, il semblerait qu’une solution basée sur l’espace soit la seule qui fonctionne, mais c’est la plus coûteuse. »
La téléportation quantique via l’espace a été menée avec succès, et les scientifiques tentent actuellement de démontrer des distances plus longues et plus longues.
Les scientifiques de l’Académie chinoise des sciences ont fait les manchettes en juin quand ils ont réussi à téléporter des photons intriqués entre deux villes chinoises situées à 1 200 km l’une de l’autre. Ils ont utilisé un satellite quantique spécialement développé appelé Micius.
Les mêmes scientifiques chinois ont récemment dépassé leur propre record le 29 septembre en présentant le premier appel vidéo intercontinental au monde protégé par une clé quantique avec des chercheurs de l’Académie autrichienne des sciences sur une distance de 7 700 km.
L’appel a duré 20 minutes et les parties ont pu échanger des images chiffrées du satellite Micius et du physicien autrichien Erwin Schrödinger.
Rupert Ursin, chef de groupe à l’Institut d’optique quantique et d’information quantique de l’Académie autrichienne des sciences estime que l’Internet quantique aura besoin de réseaux terrestres et spatiaux pour fonctionner en parallèle.
«Dans les villes, nous avons besoin d’un réseau fibre optique, mais les liaisons à longue distance seront couvertes par des liaisons par satellite», explique-t-il.
Comment fonctionne la distribution des clés quantiques?
Pour comprendre le fonctionnement de QKD, revenons à l’appel vidéo réalisé entre les scientifiques autrichiens et chinois. Le satellite Micius a utilisé sa source lumineuse pour établir des liaisons optiques avec les stations au sol en Autriche et les stations au sol en Chine.
Il était alors capable de générer une clé quantique.
Ce qui est formidable avec le chiffrement quantique, c’est que vous pouvez détecter si quelqu’un a essayé d’intercepter le message avant qu’il ne vous parvienne et combien de personnes ont essayé d’y accéder.
Micius était capable de dire que le cryptage était sécurisé et que personne n’écoutait sur l’appel vidéo. Il a ensuite donné le feu vert pour crypter les données à l’aide de la clé secrète et les transmettre via un canal Internet public.
Routage des messages
Plusieurs groupes de scientifiques développent des réseaux terrestres en travaillant sur les technologies des stations de répéteurs quantiques, situées tous les 50 km, reliées par des câbles à fibres optiques.
Ces stations répéteurs, également appelées «nœuds de réseau quantiques», devront effectuer plusieurs actions afin d’acheminer ou de diriger les messages sur le réseau.
Tout d’abord, chaque nœud doit réparer et amplifier le signal qui a été endommagé par les 50 km précédents du réseau.
Imaginez que vous utilisez un ancien télécopieur pour envoyer un document d’une page à quelqu’un d’autre et qu’à chaque fois que vous envoyez la page, une partie différente du message est manquante et que l’autre partie doit rassembler le message de tous les les tentatives infructueuses.
Ceci est similaire à la façon dont un seul message peut être envoyé entre différents nœuds sur un réseau quantique.
Il y aura beaucoup de gens sur le réseau, tous essayant de se parler. Ainsi, le nœud, ou station de répéteur, devra également déterminer comment distribuer sa puissance de calcul disponible afin de regrouper tous les messages envoyés. Il devra également envoyer des messages entre l’Internet quantique et l’Internet classique.
L’Université de Delft est en train de construire un réseau quantique utilisant des vides d’azote dans les diamants et a montré jusqu’à présent la capacité de stocker et de distribuer les liaisons nécessaires pour les communications quantiques sur de grandes distances.
L’Université d’Oxford et l’Université du Maryland sont en train de construire des ordinateurs quantiques qui fonctionnent d’une manière similaire à un réseau. Leurs ordinateurs quantiques sont constitués de nœuds d’ions piégés qui ont été mis en réseau pour communiquer entre eux.
Plus l’ordinateur que vous voulez est grand, plus vous devez ajouter de nœuds, mais ce type d’ordinateur quantique ne transmet que des données sur une courte distance.
«Nous voulons les rendre petits afin qu’ils puissent être bien protégés contre la décohérence, mais s’ils sont petits, ils ne peuvent pas tenir beaucoup de qubits», explique le Dr Vicary.
«Si nous connectons les nœuds à un réseau, nous pouvons toujours avoir un ordinateur quantique sans être limité par le nombre de qubits, tout en protégeant les nœuds.
Mémoire quantique
La station de répéteur aura également besoin d’une puce de mémoire quantique. Les nœuds créent des «liens», constitués de paires de particules lumineuses entremêlées. Ces paires intriquées sont préparées à l’avance.
Pendant que le nœud calcule la route à travers le réseau que le message devra prendre, il doit stocker la paire de photons intriqués dans un endroit sûr, de sorte qu’une puce de mémoire quantique est nécessaire. Il doit pouvoir stocker les photons le plus longtemps possible.
Des chercheurs de l’Université nationale australienne (ANU) ont développé une puce de mémoire quantique compatible avec les télécommunications utilisant un cristal dopé à l’erbium. Cet appareil est capable de stocker la lumière dans la bonne couleur et il est capable de le faire pendant plus d’une seconde, ce qui est 10 000 fois plus longtemps que toutes les autres tentatives jusqu’à présent.
«Le plus grand défi est maintenant de démontrer une mémoire quantique avec une grande capacité de stockage de données», a déclaré à la BBC le professeur associé Matthew Sellars, directeur de programme au Centre de calcul et de communication quantique (CQC2T) de l’ANU.
« Ce sera la capacité de stockage de la mémoire qui limitera le taux de transmission des données à travers le réseau.
« Je pense qu’il faudra environ cinq ans avant que la technologie [pour l’internet quantique] soit pratique ».
La Source: http://bbc.in/2wTCmup
