“Ce côté de la table est Bob, l’autre côté est Charlie et Alice est à deux portes”, explique Sophie Hermans, qui a obtenu son doctorat à la TU Delft en avril. Nous venons de traverser un rideau noir pour entrer dans un petit laboratoire au sous-sol de l’institut quantique de Delft QuTech. La table est pleine de miroirs, de câbles et des éclats de diamant Bob et Charlie. Il y a des cloisons noires autour et entre les configurations qui bloquent la lumière pendant les expériences.
“L’année dernière, nous avons mis en place le premier réseau quantique au monde ici, en connectant Alice et Bob et Bob et Charlie”, explique Hermans. Alice, Bob et Charlie sont les nœuds du réseau. Ils consistent chacun en une puce de diamant contenant une « erreur » : un endroit où un atome de carbone a été remplacé par un atome d’azote, avec un trou à côté où il manque un atome de carbone. Un électron supplémentaire est piégé dans ce « centre NV » qui sert de bit quantique, qubit en abrégé.
Hermans et ses collègues ont récemment appris au réseau une nouvelle astuce : la téléportation. L’information quantique disparaît chez l’émetteur (Charlie) et apparaît chez le récepteur (Alice). Parce que cela ne nécessite pas de signal pour voyager de Charlie à Alice, le signal ne peut pas être interrompu ou perdu en cours de route – ce qui se produit lorsque vous envoyez des informations quantiques via une fibre optique. C’est pourquoi la téléportation est intéressante pour un futur internet quantique. Hermans et ses collègues publié les résultats de la téléportation mercredi dernier à La nature†
Le réseau à petite échelle entre Bob, Charlie et Alice est une étape importante vers un Internet quantique plus large, qui peut garantir des connexions sécurisées et relier les futurs ordinateurs quantiques.
Si quelqu’un essaie d’écouter notre connexion, il rompt l’enchevêtrement
Qu’est-ce qu’un réseau quantique ?
« Il s’agit d’un nouveau type de réseau sur lequel vous envoyez des informations quantiques. Avec les connexions Internet et les ordinateurs ordinaires, les informations sont constituées de bits qui valent 1 ou 0. Les informations quantiques sont constituées de qubits, qui peuvent être une combinaison de 1 et 0. Vous pouvez également enchevêtrer des qubits. Si deux qubits sont intriqués, vous ne pouvez plus les voir séparément. Lorsque vous les mesurez, ils donnent toujours la même réponse immédiatement, quelle que soit la distance entre les deux. Nous pouvons emmêler nos qubits en braquant un laser sur un centre NV. Le qubit émet alors des particules de lumière que nous pouvons envoyer à une autre puce de diamant via une fibre optique pour créer un enchevêtrement entre les deux.
Qu’est-ce que l’internet quantique peut faire que l’internet ordinaire ne peut pas ?
« Vous pouvez l’utiliser pour une communication sécurisée garantie. Si nous avons une connexion quantique avec des qubits intriqués et que nous effectuons des mesures, nous trouvons des résultats de mesure corrélés. Si quelqu’un essaie d’écouter notre connexion, il rompt l’enchevêtrement. En conséquence, ces corrélations disparaissent. De cette façon, nous pouvons voir immédiatement si quelqu’un nous écoute. Une autre application de l’intrication est la synchronisation des horloges atomiques, qui est utilisée, par exemple, pour les systèmes GPS.
Connecter deux qubits est possible depuis des années. Pourquoi n’en a-t-il ajouté qu’un tiers l’année dernière ?
“L’ajout d’un troisième nœud est moins facile qu’avec un réseau normal car vous ne pouvez pas copier les informations quantiques et les stocker mal, car les qubits sont fragiles. Ils sont facilement dérangés. Dans notre réseau, nous avons connecté les nœuds Alice, Bob et Charlie en ligne. En conséquence, Alice et Charlie n’ont pas de connexion directe par fibre optique entre eux. Si vous voulez les emmêler, vous aurez besoin de l’aide de Bob. Pour cela, nous enlaçons d’abord Alice et Bob. Bob stocke cet enchevêtrement dans son qubit de mémoire supplémentaire. Puis on emmêle Bob et Charlie. Cet enchevêtrement ne fonctionne généralement pas en une seule fois. Chaque fois que nous essayons, nous perturbons légèrement l’intrication stockée entre le qubit de mémoire d’Alice et de Bob. S’il faut trop de temps pour emmêler Bob et Charlie, alors l’enchevêtrement avec Alice est rompu et nous devons recommencer. Cela rend la mise en place d’un réseau quantique encore plus difficile et lente.
Pour l’instant, l’internet régulier est plus rapide
Néanmoins, en 2014, QuTech a annoncé son intention d’avoir un Internet quantique expérimental entre Delft, La Haye, Leiden et Amsterdam d’ici 2020. Pourquoi ça n’a pas marché ?
«Lorsque j’ai commencé ma recherche doctorale au début de 2018, l’idée a prévalu que nous pourrions construire un réseau quantique fonctionnel en laboratoire avec trois nœuds en cinq mois, puis commencer à prendre des mesures. Au final, il a fallu 2,5 ans. Un certain nombre de choses se sont avérées plus difficiles que prévu et la pandémie de corona n’a pas aidé. Si tout se passe bien, il y aura cette année une connexion quantique entre Delft et La Haye. Le plan est d’ajouter des nœuds par la suite.
Quelles étapes ont été franchies lors de votre promotion ?
« En 2020, nous avons enfin eu le réseau : une connexion entre Alice et Charlie via Bob. Alice et Charlie ne sont connectés que par intrication quantique et non par une fibre optique physique. Mais cette connexion n’était pas assez bonne pour être utilisée pour quoi que ce soit. L’année dernière, nous avons recherché où se trouvaient les points faibles dans la configuration et les avons résolus autant que possible. Par exemple, nous avons amélioré le qubit mémoire de Bob en le protégeant plus efficacement contre les perturbations avec des impulsions électriques. Ces améliorations nous ont permis d’emmêler Alice et Charlie et de téléporter des informations quantiques de Charlie à Alice. Ce réseau quantique est lent. La téléportation ne réussit qu’une fois toutes les deux minutes. Cela doit être amélioré pour un Internet quantique. Personnellement, je pense qu’il faut un autre type de qubit pour passer à l’étape suivante. Je pense que ces dernières années, nous avons extrait tout ce qui pouvait être extrait des qubits du centre NV.
À quoi ressemble l’avenir de l’internet quantique ?
« Je pense que ce sera un ajout à Internet ordinaire. Vous pouvez stocker moins d’informations avec eux qu’avec des bits informatiques ordinaires. Et pour le moment, l’internet ordinaire est plus rapide. Pour une communication sécurisée, vous pouvez par exemple échanger des codes de cryptage via Internet quantique. Vous l’utilisez pour crypter votre message que vous envoyez sur Internet traditionnel. Vous pourriez également l’utiliser pour déterminer un itinéraire avec Google Maps, sans que Google sache où vous êtes et où vous allez. Vous envoyez ensuite votre position et votre destination via Internet quantique au serveur quantique de Google, qui calcule et renvoie l’itinéraire le plus rapide. Si tout se fait via des informations quantiques, alors Google ne pourra regarder à aucun moment. Mais je pense qu’il faudra des décennies avant que tout le monde puisse se connecter à l’internet quantique à la maison.