QuTech : La première téléportation connectée ouvre la voie à l’internet quantique | La technologie

Les chercheurs de QuTech travaillent sur l’un des nœuds du réseau quantique, où des miroirs et des filtres dirigent les faisceaux laser sur la puce de diamant.Marieke de Lorijn

L’informatique quantique progresse à petits pas de géant. Petit car les réalisations réalisées suggèrent des ruptures singulières dans les limites. Mais gigantesque, car chaque pas ouvre un monde de possibilités infinies. C’est le cas des recherches menées par Ronald Hanson, physicien au laboratoire QuTech de l’université de Delft (Pays-Bas), qui, selon poster ce mercredi Nature, téléportent des informations quantiques via un réseau rudimentaire sans connexion directe entre l’expéditeur et le destinataire. La téléportation de base a déjà été réalisée (l’équipe de Hanson et d’autres l’ont déjà démontré). Mais seulement entre deux points nommés Alice et Bob ou entre des nœuds voisins. Maintenant, ce couple est rejoint par Charlie de loin. Les trois forment le premier réseau qui, bien que rudimentaire, permet de penser à un internet quantique aux possibilités de calcul infinies et d’observer un monde jusqu’alors inconnu.

Roland Hanson explique la pertinence de ce premier réseau quantique : « Pour la communication quantique, nos travaux montrent comment la téléportation peut être utilisée dans un environnement de réseau réel avec des nœuds qui ne sont pas directement connectés. Dans le futur Internet quantique, cette téléportation sera la principale méthode de transmission d’informations quantiques sur de longues distances. Notre réseau peut être considéré comme un ordinateur quantique modulaire (où les nœuds sont les modules) ; Nos travaux montrent que les nœuds peuvent échanger des informations quantiques même s’ils ne sont pas sur une seule puce.

Pour comprendre la progression de l’équipe de Hanson, il faut partir des réalisations antérieures auxquelles ils ont eux-mêmes participé avec d’autres grands chercheurs de cette science. Le premier était la démonstration que la téléportation est possible dans le monde quantique. Asher Peres (France 1934, Israël 2005) a jeté les bases Lettres de vérification physique en 1993. Puis un journaliste lui a demandé : « Quand tu téléportes une personne, est-ce que le corps passe avant l’âme ? » Le physicien a répondu: « Pas le corps, seulement l’âme. »

Cette anecdote est importante pour comprendre la téléportation quantique, où la matière n’est pas transmise par un médium, mais les informations qui lui confèrent des propriétés. Comme l’explique Hanson, « La principale caractéristique de la téléportation quantique est que la téléportation quantique est en fait une téléportation : elle ne voyage pas dans l’espace ou à travers la fibre optique. La paire imbriquée (enchevêtré, en anglais) de qubits, qui représentent la ressource pour effectuer la téléportation (les « téléporteurs »), est préparé en utilisant des signaux sur fibre optique ». Un autre terme a été inventé pour ce phénomène Albert Einstein quand il a suggéré cette possibilité 1935 avec Boris Podolsky et Nathan Rosen dans le soi-disant paradoxe EPR : « Action fantasmagorique à distance ».

Schéma de téléportation publié dans 'Nature'.
Schéma de téléportation publié dans ‘Nature’.

De cette façon, lorsqu’une particule s’enchevêtre avec une autre, les deux cessent d’être des particules individuelles avec leurs propres états définis et deviennent un système avec une seule fonction d’onde. Et chaque mesure qui a lieu chez Alice est immédiatement reproduite chez Bob. Hanson l’explique ainsi : « La mesure de l’un d’eux amène immédiatement l’autre à choisir également un état ; D’une certaine manière, mesurer l’un mesure aussi l’autre. C’est très différent de la manipulation de qubits : si nous faisons tourner Alice, rien n’arrive à Bob. D’où un effet effrayant à longue distance [que planteó Einstein] il se réfère uniquement à la corrélation instantanée dans les résultats de mesure. Si des choses autres que la mesure étaient également transmises instantanément, il serait en fait possible d’envoyer des messages plus rapidement que la vitesse de la lumière.

La téléportation a été testée pendant un quart de siècle, en commençant par les photons pour se déplacer vers les atomes et les systèmes plus complexes. Il y a cinq ans, Jian-Wei Pan, le principal chercheur dans ce domaine qui travaille pour l’Université des sciences et technologies de Chine, et son équipe ont réussi à téléporter des photons de la Terre vers le satellite artificiel miciusen orbite à 1 400 kilomètres d’altitude.

Jian-Wei Pan lui-même a expliqué à ce journal comment ces réalisations, fondamentales pour l’informatique quantique, font face à un « défi impressionnant »: la présence de bruit et d’imperfections. « Nous devons utiliser la correction d’erreur quantique et les opérations tolérantes aux erreurs pour surmonter le bruit et mettre à l’échelle le système », dit-il.

Si la présence de bruit et d’imperfections peut entraîner l’échec du fonctionnement quantique dans un seul ordinateur dans des conditions de laboratoire, le problème est multiplié dans les opérations en réseau. Et c’était la grande réussite de l’équipe de Hanson : une téléportation quantique efficace entre des nœuds non voisins dans un réseau.

Alice, la destinataire des informations quantiques téléportées.  À l'intérieur du cylindre en aluminium noir, l'échantillon de diamant est refroidi à -270 °C pour réduire le bruit ambiant et permettre un contrôle quantique.
Alice, la destinataire des informations quantiques téléportées. À l’intérieur du cylindre en aluminium noir, l’échantillon de diamant est refroidi à -270 °C pour réduire le bruit ambiant et permettre un contrôle quantique.Marieke de Lorijn

En ce sens, le chercheur néerlandais explique : « Le bruit et les imperfections sont un défi pour le traitement de l’information quantique. Dans un réseau quantique, l’envoi d’informations entre les nœuds pourrait être effectué sur les fibres intermédiaires, mais cela rendrait les informations quantiques vulnérables au bruit et à la perte de Fibre Channel. En revanche, la téléportation permet d’envoyer des informations quantiques entre des nœuds distants sans souffrir de ces sources de bruit. La téléportation nécessite l’enchevêtrement comme ressource. Bob aide à créer ce lien entre Alice et Charlie, qui n’ont pas de lien physique direct. »

Le processus s’est poursuivi recherche précédente où Hanson a fait fonctionner un réseau entre des nœuds adjacents. Le défi était d’ajouter un troisième nœud et de créer un état entre les trois qui montrerait des corrélations quantiques.

Dans la nouvelle expérience, Alice et Charlie n’ont pas de lien direct l’un avec l’autre, mais ils sont tous les deux connectés à Bob. Les processeurs d’Alice et de Bob préparent le processus en créant un état couplé entre leurs processeurs, et Bob le stocke tout en créant un état couplé avec Charlie. « Une fois qu’un état entrelacé est établi entre Alice et Charlie, l’état à téléporter est créé puis exécuté », résume Hanson. « Ce qui se passe alors est quelque chose qui n’est possible que dans le monde quantique : à la suite de la mesure, l’information disparaît du côté de Charlie et réapparaît immédiatement du côté d’Alice », explique l’université néerlandaise.

« Les principes nécessaires »

Juan José García Ripoll, chercheur à Institut de physique fondamentale du Conseil Supérieur de la Recherche Scientifique (CSIC) et co-fondateur de Inspiration Qconsidère le travail de Hanson et de son équipe comme très pertinent : « C’est une expérience très sophistiquée qui démontre tous les principes nécessaires pour créer des réseaux de communication quantique. »

Pour García Ripoll, qui n’a pas participé à l’étude néerlandaise, « l’envoi non seulement d’informations classiques (bits) mais aussi d’états quantiques nécessite un mécanisme permettant de répartir un état intriqué entre deux points distants et une mémoire quantique, qui permet de stocker les informations transmises alors que ce canal de communication est construit sur la base de l’entrelacement ».

L’expérience de Hanson utilise des centres NV, « un type d’impureté de diamant qui », explique le scientifique espagnol, « agit comme un qubit et peut être manipulé optiquement ». Ce qubit permet un enchevêtrement à longue distance en émettant des photons. » Le centre NV est un défaut dans lequel un atome de carbone dans le réseau cristallin de diamant est remplacé par un atome d’azote (N) et un site de réseau vacant adjacent (V).

Une seule NV permet la détection du moment magnétique et a de nombreuses applications dans la technologie quantique. Selon García Ripoll, « Le centre NV ou centre de couleur peut également parler avec les moments magnétiques des atomes environnants et dans l’expérience [de Hanson] Ils l’utilisent pour avoir une mémoire quantique : transférer les informations du NV à un spin nucléaire proche (dans un isotope du carbone 13) ». « Les informations à envoyer peuvent être conservées en sécurité pendant longtemps, de sorte que le NV a pour tâche d’établir la connexion à un autre nœud de communication », ajoute-t-il.

« Outre la qualité de l’expérience, la démonstration d’une configuration de communication quantique sophistiquée à trois nœuds et d’algorithmes de communication très sophistiqués jette les bases pour étendre l’idée à des configurations de communication quantique et de distribution d’intrication évolutives très prometteuses », conclut Garcia Ripoll.

Précoce mais pertinent

Pour Adán Cabello, physicien de l’Université de Séville dont la première mesure d’une séquence quantique a été reconnue comme l’une des avancées les plus importantes de la physique, il est prématuré de parler d’Internet quantique, même si la téléportation de l’expérience vers un nouveau nœud est pertinent.

Cabello tente de simplifier la réalisation pour l’expliquer : « Vous avez un état quantique dans une ville qui pourrait être Séville et vous voulez l’envoyer dans une autre ville, Madrid. Vous avez besoin d’un état intriqué de qubits entre Séville et Madrid. Il s’agit d’un protocole de téléportation standard. La chose intéressante à propos de l’expérience est que l’enchevêtrement ne peut être détecté qu’à une certaine distance. Supposons que dans l’exemple des villes, il s’agisse de 500 kilomètres. Si vous souhaitez envoyer des qubits de Séville à Saint-Sébastien, vous devez surmonter la limitation de distance. C’est ce que décrit Hanson : ce n’est plus Séville-Madrid, c’est Séville-San Sebastián. Ils ont doublé la distance.

« C’est un premier panorama de ce que pourrait être un réseau », dit-il. « En d’autres termes, il ne s’agit plus de point à point, mais davantage de nœuds peuvent être impliqués. Mais parler de l’internet quantique est trop prometteur. Cependant, la téléportation d’informations quantiques est très utile et aura de nombreuses applications. Sans aucun doute ».

De même, les physiciens Oliver Slattery et Yong-Su Kim soulignent les progrès réalisés par Hanson et son équipe comme une étape importante et « cruciale » dans la création d’un Internet quantique sécurisé de nouvelle génération. Ils soulignent également l’importance des innovations développées pour réaliser le procédé : la préparation, la manipulation et la lecture d’états quantiques.

Cependant, les deux physiciens soulignent : « De nouvelles améliorations de plusieurs fonctions du système seront nécessaires pour permettre plusieurs cycles de téléportation et produire des réseaux quantiques à grande échelle. »

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