Vers un internet quantique grâce à la téléportation

Cet article a été publié en exclu­si­vi­té dans notre maga­zine Le 3,14 sur le quan­tique.
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Les cher­cheurs du Ronald Han­son Lab de QuTech (une col­la­bo­ra­tion entre l’U­ni­ver­si­té tech­no­lo­gique de Delft aux Pays-Bas et TNO) tra­vaillent sur la trans­mis­sion d’in­for­ma­tions quan­tiques en uti­li­sant des bits quan­tiques (qubits) dans le dia­mant. Ils ont récem­ment démon­tré qu’ils pou­vaient trans­fé­rer ces infor­ma­tions entre deux nœuds non direc­te­ment connec­tés par télé­por­ta­tion quan­tique – une pre­mière. À terme, ce type de télé­por­ta­tion pour­rait être uti­li­sé pour créer un inter­net quan­tique, car il est robuste et « incassable ».

La télé­por­ta­tion quan­tique nous fait sou­vent pen­ser à Star Trek. Si la télé­por­ta­tion n’est pas pos­sible pour des objets tels que des êtres humains, elle l’est pour des états quan­tiques enco­dés sur des par­ti­cules se com­por­tant selon la méca­nique quan­tique. Le pro­ces­sus n’im­plique aucun trans­fert phy­sique de matière, mais le trans­fert ins­tan­ta­né d’un état quan­tique entre des par­ti­cules sépa­rées par une dis­tance immense ; il est effa­cé sur le site de l’ex­pé­di­teur et appa­raît immé­dia­te­ment sur le site du destinataire.

De tels sys­tèmes per­mettent d’implémenter des bits quan­tiques (‘qubits’), des sys­tèmes quan­tiques à deux états, qui repré­sentent la brique com­pu­ta­tion­nelle de base en infor­ma­tion quantique.

L’i­dée de base de la télé­por­ta­tion est que deux nœuds de réseau, tra­di­tion­nel­le­ment appe­lés Alice et Bob, par­tagent une paire de par­ti­cules intri­quées (en cryp­to­gra­phie quan­tique, Alice est l’ex­pé­di­trice d’un mes­sage et Bob est le des­ti­na­taire). Les par­ti­cules intri­quées sont celles qui res­tent liées d’une manière impos­sible en phy­sique clas­sique, quelle que soit la dis­tance qui les sépare. Albert Ein­stein a appe­lé cet effet « action fan­tôme à dis­tance ». Alice inter­agit ensuite avec une troi­sième par­ti­cule – dans un état incon­nu – avec sa moi­tié de la paire intri­quée, mesure le résul­tat de l’in­te­rac­tion et en informe Bob par un canal clas­sique. Muni de cette infor­ma­tion et d’une mesure sur sa moi­tié de la paire intri­quée, Bob peut recons­truire l’é­tat incon­nu d’o­ri­gine, qui est celui qui a été téléporté.

La télé­por­ta­tion a été pro­po­sée théo­ri­que­ment pour la pre­mière fois en 1993 et a été démon­trée expé­ri­men­ta­le­ment pour la pre­mière fois en 1997 avec la télé­por­ta­tion de la pola­ri­sa­tion d’un pho­ton. Depuis, plu­sieurs équipes de cher­cheurs ont télé­por­té les états des spins ato­miques, des spins nucléaires et des ions pié­gés, pour ne citer que trois exemples. Les cher­cheurs ont éga­le­ment réus­si à télé­por­ter « deux degrés de liber­té » – le spin et le moment angu­laire orbi­tal – entre des pho­tons individuels.

Ronald Han­son et ses col­lègues ont récem­ment réa­li­sé le tout pre­mier réseau quan­tique à trois nœuds en uti­li­sant des « centres de vacance d’a­zote » (notés « NV » ) dans le dia­mant comme qubits. Les centres de vacance d’a­zote sont des défauts dans le réseau d’a­tomes de car­bone du maté­riau où un atome d’azote s’est sub­sti­tué à un atome de car­bone. Chaque nœud contient un qubit de com­mu­ni­ca­tion et un nœud contient éga­le­ment un qubit de mémoire qui peut sto­cker l’in­for­ma­tion quan­tique dans le nœud.

Pour télé­por­ter des infor­ma­tions quan­tiques d’un émet­teur à un récep­teur, leurs qubits res­pec­tifs doivent être intri­qués. Lors­qu’une « mesure de l’é­tat de Bell » est effec­tuée sur le qubit de l’ex­pé­di­teur, son état quan­tique est télé­por­té, c’est-à-dire qu’il dis­pa­raît du nœud de l’ex­pé­di­teur et appa­raît dans celui du des­ti­na­taire. Cet état quan­tique, qui arrive sous une forme cryp­tée, peut ensuite être décryp­té en uti­li­sant le résul­tat de la mesure de l’é­tat de Bell, c’est-à-dire en l’en­voyant au récep­teur par un canal clas­sique, tel qu’une fibre optique.

Jusqu’à pré­sent, ce pro­ces­sus n’a­vait été démon­tré que pour deux points de réseau adja­cents, Alice et Bob. L’a­jout d’un troi­sième point (appe­lé Char­lie) n’est pas facile, car l’in­tri­ca­tion entre Alice et Char­lie doit être créée par l’in­ter­mé­diaire de Bob. L’in­tri­ca­tion doit éga­le­ment être d’une grande fidé­li­té pour que la télé­por­ta­tion réussisse.

Ronald Han­son et ses col­lègues y sont par­ve­nus en ins­tal­lant des détec­teurs sup­plé­men­taires qui iden­ti­fient mieux les « faux » signaux pro­ve­nant des pho­tons indé­si­rables émis dans leur sys­tème. Ils ont éga­le­ment amé­lio­ré la mémoire uti­li­sée pour sto­cker les infor­ma­tions en pro­té­geant le qubit de mémoire des inter­ac­tions avec le qubit de com­mu­ni­ca­tion et l’en­vi­ron­ne­ment cris­tal­lin. Ces inter­ac­tions pro­voquent un phé­no­mène connu sous le nom de déco­hé­rence qui fait perdre au qubit l’in­for­ma­tion quan­tique qu’il contient. Enfin, ils ont amé­lio­ré la lec­ture de la mémoire du qubit en fil­trant les « mau­vaises » lec­tures en temps réel, ce qui aug­mente in fine la fidélité.

Toutes ces mesures leur per­mettent de télé­por­ter des infor­ma­tions quan­tiques entre les nœuds Alice et Char­lie non-adja­cents. Pour ce faire, ils ont d’a­bord intri­qué les qubits d’A­lice et de Char­lie via le qubit de Bob. Char­lie stocke ensuite une par­tie des états intri­qués sur son qubit de mémoire et pré­pare l’é­tat quan­tique à télé­por­ter sur son qubit de com­mu­ni­ca­tion. L’ap­pli­ca­tion de la mesure d’é­tat de Bell à Char­lie télé­porte l’é­tat vers Alice.

Les cher­cheurs tra­vaillent actuel­le­ment à l’aug­men­ta­tion du nombre de qubits de mémoire, ce qui per­met­tra d’exé­cu­ter des pro­to­coles plus com­plexes. Ils envi­sagent éga­le­ment d’in­té­grer des fibres optiques conven­tion­nelles dans leur expé­rience. Cela per­met­trait de sor­tir la tech­no­lo­gie du labo­ra­toire et de l’in­té­grer dans des réseaux déjà uti­li­sés dans le monde réel. Enfin, le déve­lop­pe­ment d’une « pile de contrôle » du réseau quan­tique, simi­laire à celle uti­li­sée dans l’in­ter­net actuel, sera éga­le­ment néces­saire pour un futur inter­net quan­tique fonctionnel.

Propose recueillis par Isabelle Dumé

Réfé­rences :

The Ronald Han­son Lab

TNO

Publi­ca­tion dans Nature