Première démonstration d'un routeur quantique

Les physiciens exploitent la nature quantique des photons pour transmettre des informations depuis un certain temps déjà. Et ce faisant, ils ont découvert à quel point la communication quantique puissante peut être comparée au type classique.

Au lieu d'envoyer les 0 et les 1 du code numérique, les communicateurs quantiques peuvent envoyer des informations dans une superposition d'états qui représentent à la fois des 0 et des 1. De plus, des objets quantiques distincts tels qu'une paire de photons peuvent être intriqués, ce qui signifie qu'ils partagent la même existence même s'ils sont largement séparés. Cela conduit à une forme d'information quantique qui n'a pas d'équivalent classique.

L'information quantique est le facteur habilitant derrière un certain nombre de technologies émergentes dont de nombreux physiciens s'attendent à avoir un impact énorme sur la société à l'avenir : de puissants ordinateurs quantiques, une cryptographie quantique (presque) parfaitement sécurisée et l'Internet quantique qui distribuera ces capacités autour de la planète.

Mais il y a un problème avec cette vision du futur quantique. Pour le moment, les physiciens ne peuvent envoyer des photons porteurs d'informations quantiques que sur la longueur d'une seule fibre optique.

Le guidage des photons dans une autre fibre est un processus appelé routage, qui utilise un signal de contrôle pour déterminer la destination et l'itinéraire d'un signal de données. Un routeur classique lit simplement les données du signal de commande et achemine le signal de données en conséquence.

Mais dans le monde quantique, la lecture d'un signal de contrôle le détruit également. Il n'a donc été possible d'acheminer des signaux de données quantiques qu'à l'aide de signaux de contrôle classiques. Et bien que cela soit pratique, cela ne permet pas au processus de routage d'exploiter toute la puissance des informations quantiques.

Aujourd'hui, Xiuying Chang et quelques amis de l'Université Tsinghau en Chine annoncent avoir construit et testé le premier routeur quantique à utiliser un signal de contrôle quantique pour déterminer l'itinéraire d'un signal de données quantique. Nous… réalisons la première démonstration de principe d'un véritable routeur quantique, disent-ils.

Dans ce nouveau dispositif, l'information est codée dans la polarisation des photons, horizontale ou verticale. Le groupe chinois a commencé par créer un seul photon qui se trouve dans une superposition d'états de polarisation horizontale et verticale.

Ils convertissent ensuite ce photon unique en une paire de photons de plus faible énergie qui sont intriqués, un processus appelé down conversion paramétrique. Ces deux photons sont également dans une superposition d'états de polarisation.

Le routeur fonctionne en utilisant la polarisation de l'un de ces photons comme signal de contrôle pour déterminer l'itinéraire de l'autre, le signal de données. Le dispositif est simple, un peu plus qu'une collection de demi-miroirs pour guider les photons et les plaques d'onde pour faire tourner leur polarisation.

Tout d'abord, suivons le parcours du photon de données qui est déterminé par un ensemble de demi-miroirs qui l'envoient dans un sens ou dans l'autre, selon sa polarisation. L'astuce consiste à configurer le routeur de manière à ce que la polarisation du photon de contrôle influence cette route.

Pour ce faire, le groupe chinois fait tourner la polarisation du photon de contrôle à l'aide de plaques demi-onde et quart d'onde lorsque le photon de données atteint les demi-miroirs. Le phénomène quantique d'intrication assure alors que le photon de données est acheminé en conséquence. En effet, le routeur fonctionne comme une porte logique.

Bien entendu, le succès du routage est probabiliste comme tous les autres phénomènes quantiques. Chang et co terminent leur expérience en vérifiant les caractéristiques de type porte logique du routeur et en s'assurant que les deux photons sont toujours intriqués après l'avoir traversé.

C'est un pas en avant intéressant, mais le nouveau routeur a des limites importantes. Le plus important d'entre eux est qu'il ne peut gérer qu'un seul bit quantique ou qubit à la fois. Et parce que le processus de down-conversion paramétrique ne peut pas gérer plus de qubits, il ne peut pas être mis à l'échelle à plus de qubits.

C'est un inconvénient important. Cela signifie qu'il s'agit d'un dispositif de preuve de principe, mais qu'il ne constituera jamais la base d'un futur Internet quantique.

En un sens, c'est un peu comme les premiers ordinateurs quantiques qui s'appuyaient sur la résonance magnétique nucléaire pour manipuler les spins des molécules dans un pot d'acétone. Ceux-ci ont effectué des calculs triviaux en utilisant une poignée de qubits, mais n'ont pas pu être agrandis pour faire quelque chose d'intéressant.

Cela ne veut pas dire que nous n'aurons jamais de routeurs quantiques évolutifs. Divers groupes travaillent sur différentes approches qui ont le potentiel d'évoluer. Les progrès sont constants mais lents.

Un Internet quantique arrive. Le problème est que personne ne sait quand.

Réf : arxiv.org/abs/1207.7265 : Démonstration expérimentale d'un routeur quantique basé sur l'intrication

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