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Vers un Internet quantique
La promesse des ordinateurs quantiques est incroyablement grande : résolution de problèmes quasi-instantanée et transmission de données parfaitement sécurisée. Pour la plupart, cependant, les démonstrations à petite échelle de calcul quantique restent isolées dans les laboratoires du monde entier. À présent, Prem Kumar , professeur de génie électrique et d'informatique à la Northwestern University, a fait un pas en avant pour rendre l'informatique quantique plus pratique. Kumar et son équipe ont montré qu'ils pouvaient construire une porte logique quantique, un composant fondamental d'un ordinateur quantique, à l'intérieur d'une fibre optique. La porte pourrait faire partie d'un circuit qui relaie des informations en toute sécurité, sur des centaines de kilomètres de fibre, d'un ordinateur quantique à un autre. Il peut également être utilisé seul pour trouver des solutions à des problèmes mathématiques complexes.
Web enchevêtré : Les composants optiques de cette paillasse, tels que les miroirs et les filtres, permettent aux chercheurs du laboratoire de Prem Kumar de la Northwestern University de diriger et de manipuler la lumière. Dans les travaux les plus récents de Kumar, il a créé une porte logique quantique dans une fibre optique ; de telles portes pourraient éventuellement activer des réseaux d'ordinateurs quantiques.
Une porte logique est un dispositif qui reçoit une entrée, exécute une opération logique dessus et produit une sortie. Le type de porte créé par Kumar, appelé porte NON contrôlée, a un analogue de l'informatique classique qui bascule un peu en enregistrant un 1 à 0, et vice versa. Des portes logiques quantiques comme celle de Kumar ont déjà été construites, mais elles fonctionnaient avec des faisceaux laser qui traversaient l'air, pas la fibre. La nouvelle porte jette les bases d'expériences qui démontrent les capacités des ordinateurs quantiques dans la fibre, explique Kumar. Ce qui est passionnant ici, c'est qu'une application est à portée de main, dit-il. Au cours de la prochaine année, Kumar et son équipe prévoient de tester la porte dans une application spécifique : effectuer une vente aux enchères complexe sur un réseau quantique sécurisé.
Des chercheurs d'IBM, du MIT et de nombreuses autres entreprises et universités travaillent sur les ordinateurs quantiques depuis leur première proposition dans les années 1980. Un ordinateur quantique est un appareil qui traite des bits d'information en exploitant les propriétés étranges de la mécanique quantique de particules telles que les électrons et les photons. Un ordinateur quantique est théoriquement capable de traiter de manière exponentielle plus d'informations que les ordinateurs classiques. L'unité d'information dans un ordinateur classique est le bit, qui représente soit un 1 soit un 0 ; mais dans un ordinateur quantique, c'est le qubit, qui peut représenter à la fois un 1 et un 0. Étant donné que les qubits calculent avec plusieurs valeurs à la fois, la puissance de traitement d'un ordinateur quantique double avec chaque qubit supplémentaire. Cette caractéristique permettrait à un ordinateur quantique avec seulement quelques centaines de qubits de surpasser de manière significative les meilleurs supercalculateurs d'aujourd'hui.
Le groupe de Kumar fabrique des qubits à partir de photons intriqués. Cela signifie que leurs caractéristiques physiques, telles que la polarisation, sont liées de telle manière que si un photon prend un état physique particulier, le photon correspondant prend instantanément un état correspondant. Il y a quelques années, Kumar a démontré que la fibre optique elle-même pouvait provoquer l'enchevêtrement des photons, et qu'ils resteraient intriqués sur une distance de 100 kilomètres. Ses travaux récents, décrits dans Lettres d'examen physique , va encore plus loin en créant une porte logique qui enchevêtre des paires de photons.
Pour utiliser cette porte, Kumar a besoin de photons identiques à tous égards, à l'exception de la polarisation ou de l'orientation de leurs champs électromagnétiques. Ces photons identiques sont envoyés via la fibre optique jusqu'à la porte elle-même, un petit labyrinthe de dispositifs qui acheminent les photons dans différentes directions selon sur leur polarisation. Le passage dans le labyrinthe provoque l'enchevêtrement de certaines paires de photons. Mais tous les photons ne franchissent pas la porte ; ce n'est que lorsque les photons atteignent les détecteurs à l'autre extrémité, et que les chercheurs peuvent mesurer s'ils sont ou non enchevêtrés, qu'ils savent que la porte a réussi.
La seule façon de savoir si la porte a fonctionné ou non est d'attendre qu'une collection de photons ait été tirée dessus, dit Carl Williams , coordinateur du programme d'information quantique à l'Institut national des normes et de la technologie. La plupart du temps, la porte échoue, dit-il. C'est une chose probabiliste. Mais lorsque la porte échoue, les chercheurs ignorent simplement les photons non enchevêtrés.
La grande chose à propos de ce travail, dit Williams, c'est qu'il est en fibre. C'est un gros problème car cela pourrait conduire à des réseaux distribués. … L'application évidente est la communication quantique longue distance entre deux ordinateurs quantiques plus petits. L'un des éléments cruciaux d'un réseau optique conventionnel est un dispositif appelé répéteur, qui amplifie les signaux qui se sont dégradés avec la distance. Williams dit qu'une porte logique quantique, comme celle que Kumar a construite, pourrait être utilisée dans un circuit qui amplifie un signal sans perdre l'intrication des photons.
Il s'agit d'une étape importante vers la construction d'un Internet quantique, selon Seth Lloyd , professeur de génie mécanique au MIT et chercheur de premier plan en calcul quantique. Un tel réseau aurait des pouvoirs que l'Internet ordinaire n'a pas, dit-il. En particulier, la communication sur l'Internet quantique serait automatiquement sécurisée.
Lloyd note que l'article de Kumar illustre comment une simple opération de logique quantique peut être effectuée à l'aide de photons individuels. Le document actuel représente une avancée significative dans la technologie du calcul quantique et des réseaux quantiques, dit-il.