Lumière enchevêtrée, argent quantique

Ces dernières années, le physicien autrichien Anton Zeilinger a fait rebondir des photons enchevêtrés sur des satellites en orbite et fait exister des molécules de fullerène de 60 atomes en superposition quantique, essentiellement comme un frottis de toutes leurs positions et états d'énergie possibles dans l'espace-temps local. Maintenant, il espère essayer le même coup avec des bactéries des centaines de fois plus grosses. Pendant ce temps, Hans Mooij de l'Université de technologie de Delft, avec Seth Lloyd, qui dirige le Center for Extreme Quantum Information Theory du MIT, a créé des états quantiques (qui se produisent lorsque des particules ou des systèmes de particules sont superposés) à des échelles bien au-dessus du niveau quantique en construisant une boucle supraconductrice, visible à l'œil humain, qui transporte un supercourant dont les électrons circulent simultanément dans le sens horaire et antihoraire, servant ainsi de circuit de calcul quantique.

Deux nœuds d'un réseau quantique que les chercheurs de Caltech ont créé en arrêtant des photons intriqués dans deux ensembles d'atomes de césium logés dans un système à ultravide. Le stockage temporaire de l'intrication fournit une base pour le stockage de données quantiques, ce qui peut être utile pour diverses applications, notamment la cryptographie quantique.

Le physicien Richard Feynman a proposé l'idée de l'informatique quantique en 1981 pour exploiter le potentiel de traitement de l'information des atomes, des photons et des particules élémentaires. À l'heure actuelle, le domaine a suffisamment avancé pour que les chercheurs soient non seulement capables de manipuler la physique pour obtenir des effets expérimentaux sans précédent, mais ont également proposé des applications commerciales.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de septembre 2009

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Mais avant que des technologies telles que les communications quantiques, l'informatique et la métrologie puissent réaliser leur potentiel – un Internet quantique et de l'argent infalsifiable sont deux possibilités intéressantes – les réseaux quantiques doivent être capables de transmettre et de stocker des données. Le groupe d'optique quantique du California Institute of Technology a travaillé dans ce sens. L'équipe est dirigée par H. Jeff Kimble, professeur de physique Valentine, qui a dirigé l'effort de 1998 qui a permis de réaliser la première téléportation sans ambiguïté de l'état quantique d'un photon - c'est-à-dire l'information représentée par son spin, son énergie, etc. - vers un autre photon. . Maintenant, Kimble et son équipe ont démontré un moyen d'intrication - la relation non locale qui permet la téléportation quantique, qu'Einstein a rejeté avec scepticisme comme une action effrayante à distance - à créer dans les réseaux.

Tout comme le mouvement des électrons dans les circuits de microprocesseur transmet des données dans les ordinateurs d'aujourd'hui, la téléportation des états quantiques entre les particules intriquées effectuerait cette tâche dans les réseaux quantiques. En ce qui concerne le stockage des données, explique Kyung Soo Choi, chercheur dans le groupe de Kimble, une question centrale qu'une de leurs récentes expériences a résolue était : comment convertir une lumière intriquée en un enchevêtrement de matière et la redonner à la lumière ? Les états intriqués sont fragiles et les réseaux de lumière intriquée nécessiteront des dispositifs répétitifs, tout comme les réseaux de fibres optiques longue distance nécessitent des dispositifs répétitifs optoélectroniques pour régénérer des signaux en diminution. Par conséquent, l'intrication devra être générée et stockée dans des sous-systèmes de composants au sein d'un plus grand réseau quantique. Maintenant, Kimble et son équipe ont démontré une solution technique au problème.

RESSOURCES:
Nœuds quantiques fonctionnels pour la distribution d'intrication sur des réseaux quantiques évolutifs
Chin-Wen Chou, Julien Laurat, Hui Deng, Kyung Soo Choi, Hugues de Riedmatten, Daniel Felinto, and H. Jeff Kimble
La science 316 : 1316-1320 (2007)

Cartographie de l'intrication photonique dans et hors d'une mémoire quantique
K. S. Choi, H. Deng, J. Laurat et H. J. Kimble
La nature 452 : 67-71 (2008).

L'équipe de Caltech a utilisé deux ensembles d'atomes de césium dont ils ont influencé les états avec un laser, les rendant transparents ou opaques selon les besoins pour manipuler les vitesses des photons entrants. Les chercheurs ont ensuite séparé des photons uniques, en les mettant en superposition, c'est-à-dire qu'ils faisaient partie de la même fonction d'onde quantique et donc intriqués, tout en veillant à ce qu'ils se propagent le long de deux chemins dans les deux ensembles de césium. Choi explique : Nous avons ralenti la lumière au maximum et l'avons arrêtée à l'intérieur de la matière en désactivant le laser de contrôle qui rendait les ensembles de césium transparents, de sorte que les informations quantiques - la lumière enchevêtrée - ont été stockées à l'intérieur des ensembles atomiques. En réactivant le laser de contrôle, nous avons réaccéléré les photons à vitesse normale, rétablissant les faisceaux de lumière intriqués. Jusqu'à présent, les chercheurs de Caltech ont stocké l'intrication dans la matière pendant des durées d'une microseconde. Kimble estime que lui et son équipe peuvent étendre cela à 10 microsecondes.

Kimble possède une manière courtoise de gentleman texan, comme je l'ai découvert après que son directeur de laboratoire l'a trouvé 15 minutes sur le programme après deux semaines d'absence du physicien, faisant des présentations lors de quatre conférences sur deux continents. Ces 15 minutes sont devenues un tutoriel sur les récentes avancées techniques dans la vérification et la quantification de l'enchevêtrement. La mesure est le problème central de la mécanique quantique, car toute particule ou système n'existe dans un état quantique que jusqu'à ce qu'un autre système, qu'il soit aussi léger qu'une molécule d'air parasite ou aussi complexe qu'un observateur humain, obtienne des informations à son sujet et effondre ainsi cet état. . Ce sont des trucs ahurissants. En plus de discuter de la métrologie quantique, Kimble a fait une affirmation facilement compréhensible : la base technique de notre société est le commerce de l'information. Au cours des 20 prochaines années, la science de l'information quantique - une fusion de l'informatique et de la mécanique quantique qui n'existait pas il y a 20 ans - changera radicalement ce commerce.

La technologie révolutionnaire envisagée par Kimble est constituée de grands réseaux quantiques, ressemblant à Internet mais reposant sur l'intrication. Quels avantages inhérents favoriseraient le développement et l'adoption de tels réseaux ?

Des substantiels. Les réseaux quantiques ont déjà été construits à une échelle limitée. En 2004, le premier système de cryptographie quantique permanent au monde a été activé à Cambridge, MA, reliant Harvard, l'Université de Boston et l'entrepreneur DARPA BBN Technologies (anciennement connu sous le nom de Bolt Beranek et Newman, nom sous lequel la société a créé l'ARPAnet original). Aujourd'hui, id Quantique, une société suisse, et MagiQ Technologies, une société américaine, proposent des modules commerciaux utilisant la fibre optique pour transmettre des clés quantiques, sous forme de photons codés sous forme de bits en contrôlant leur polarisation, sur des distances limitées qui culminent à environ 100 kilomètres. Étant donné qu'une tentative d'interception de ces particules lumineuses perturberait leur état et exposerait à une écoute clandestine, de tels systèmes de cryptographie quantique offrent une sécurité absolue des données.

De plus, la perspective de l'informatique quantique a été ce qui a donné l'impulsion initiale à la recherche sur les réseaux quantiques. Si un tel calcul peut être fait sérieusement (jusqu'à présent, les expériences ont utilisé au plus sept qubits, ou chiffres binaires quantiques), il promet de surpasser le calcul classique à bien des égards. Scott Aaronson, un expert du MIT sur la complexité informatique, cite l'algorithme publié en 1994 par le mathématicien du MIT Peter Shor comme la percée qui a prouvé que l'informatique quantique était une proposition viable en démontrant qu'elle pouvait prendre en compte de très grands nombres en un temps de calcul raisonnable. Parce que cette tâche a été au-delà des ordinateurs classiques, la plupart des cryptographies à clé publique ont été jusqu'à présent basées sur la factorisation de grands nombres. Mais il serait vulnérable à la cryptanalyse basée sur l'informatique quantique. Comme le dit Aaronson, c'est pourquoi la National Security Agency s'intéresse à l'informatique quantique. La cryptographie quantique, cependant, offrirait une sécurité des données contre le décryptage quantique ainsi que contre la cryptanalyse régulière.

En plus d'assurer la sécurité des données, les réseaux de répéteurs quantiques étendus, ou QWAN, que Kimble a en tête, auraient peu de problèmes de latence des réseaux actuels. En effet, pourraient être aussi instantanés que la vitesse de la lumière le permet. De plus, le parallélisme exponentiel qui donnerait à l'informatique quantique sa puissance – avec deux particules intriquées, ou qubits, représentant quatre valeurs différentes, quatre qubits 16 valeurs, etc. – devrait s'appliquer aux réseaux d'appareils d'informatique quantique. Kimble dit : Bien qu'il y ait une plus grande taille atteignable pour l'espace d'état des unités de traitement quantique individuelles, il sera possible de la surpasser en reliant ces unités ensemble dans un réseau entièrement quantique. L'espace d'état d'un ordinateur quantique est la gamme complète d'états potentiels dans lesquels l'ordinateur pourrait exister. Lorsqu'un algorithme quantique est exécuté, ce processus de calcul réduit cet espace d'états et réduit la gamme d'états possibles de l'ordinateur à un seul : la bonne réponse au problème donné. Avec un réseau d'ordinateurs quantiques, affirme Kimble, la puissance de calcul exponentielle de chaque appareil serait multipliée de manière exponentielle.

Seth Lloyd du MIT a réfléchi aux options de conception des réseaux quantiques. Selon lui, les réseaux utilisant des ensembles d'atomes de césium sont l'une des technologies les plus prometteuses pour le transport d'informations quantiques sur de longues distances. Pourtant, l'approche d'ensemble est relativement volumineuse, et plus un système quantique est grand, plus les problèmes de calcul sont importants. Lloyd dit que les approches basées sur des circuits comme les boucles supraconductrices sont plus évolutives dans un petit espace, avec un nombre potentiellement élevé de qubits sur une carte de circuit imprimé. Mais de tels systèmes sont inadaptés aux communications. Kimble et moi avons collaboré sur des concepts utilisant des atomes individuels au lieu d'ensembles, dit-il. Si nous pouvions déplacer des informations entre des ensembles atomiques et des ions individuels et des pièges à ions, c'est une technologie quantique évolutive. Un scénario plausible, selon Lloyd, semble être d'utiliser des ensembles pour les communications et les dispositifs quantiques plus localisés et évolutifs, comme les boucles supraconductrices ou les pièges à ions, pour le calcul.

Kimble a donc un argument raisonnable selon lequel les réseaux quantiques sont réalisables. Et les avantages qu'il envisage - une sécurité absolue des données, aucune latence et un gain exponentiel supplémentaire en puissance de calcul - seraient difficilement négligeables dans le monde du commerce de l'information.

Certaines applications commerciales de la technologie de l'information quantique sont assez évidentes. Les commerçants humains en sont venus à s'appuyer sur les programmes de négociation informatisés connus sous le nom de commerçants à haute fréquence (HFT). Certains jours, ceux-ci génèrent plus de la moitié du volume de la Bourse de New York. Les grandes institutions commerciales ont dépensé des millions pour développer leurs algorithmes pour analyser les données du marché et exécuter un grand nombre de transactions selon des stratégies qui sont, pour la plupart, des variantes sophistiquées consistant à acheter des microsecondes après l'arrivée de certaines données, puis à vendre des microsecondes plus tard aux dépens d'autres commerçants qui pourraient ' t obtenir les données ou leurs transactions aussi rapidement. Les traders à terme qui utilisent des réseaux quantiques quasi instantanés auront des avantages évidents par rapport à ceux qui ne le font pas.

D'autres applications commerciales sont également possibles. Scott Aaronson a suggéré l'un d'entre eux dans un article intitulé Quantum Copy-Protection and Quantum Money. Il a observé que les états quantiques ne peuvent pas être copiés car tout processus de mesure les détruit, ce qui ouvre la possibilité d'utiliser les états quantiques comme informations non clonables. Pour exploiter cette possibilité, il faudra contourner le fait que les états quantiques s'effondrent sous l'effet de la mesure et créer, premièrement (à des fins de monnaie quantique), des états non clonables qui peuvent être vérifiés comme authentiques, et deuxièmement (à des fins de protection quantique contre la copie), des états non clonables qui autorisent toujours l'utilisation du logiciel protégé, des DVD, des CD, etc. Aaronson a démontré qu'au moins un type d'argent quantique vérifiable publiquement et deux systèmes de protection contre la copie basée sur le quantum sont théoriquement réalisables, ce qui ouvre pour la première fois la possibilité d'une monnaie absolument infalsifiable et d'une protection insurmontable des droits numériques.

La première génération de monnaie a émergé avec l'invention des pièces de monnaie en Lydie il y a près de 3 000 ans, sa deuxième génération avec les lettres de change papier émises par les banques de l'Italie de la Renaissance et la troisième avec la monnaie électronique et l'économie virtuelle de l'ère moderne. Si des scientifiques comme Kimble et Aaronson ont raison, les réseaux quantiques pourraient bientôt donner lieu à une nouvelle génération d'argent.

Mark Williams est un éditeur collaborateur de Revue de la technologie.

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