Des numéros de carte de crédit aux informations de compte bancaire, nous transmettons quotidiennement des informations numériques sensibles sur Internet. Depuis les années 1990, bien que, les chercheurs savent que les ordinateurs quantiques menacent de perturber la sécurité de ces transactions.

C'est parce que la physique quantique prédit que ces ordinateurs pourraient effectuer des calculs beaucoup plus rapidement que leurs homologues conventionnels. Cela permettrait à un ordinateur quantique de craquer un système de sécurité Internet commun appelé cryptographie à clé publique.

Ce système permet à deux ordinateurs d'établir des connexions privées à l'abri des pirates potentiels. En cryptographie à clé publique, chaque appareil distribue des copies de sa propre clé publique, qui est une information numérique. Tout autre appareil peut utiliser cette clé publique pour brouiller un message et le renvoyer au premier appareil. Le premier appareil est le seul qui a une autre information, sa clé privée, qu'il utilise pour déchiffrer le message. Deux ordinateurs peuvent utiliser cette méthode pour créer un canal sécurisé et échanger des informations.

Un ordinateur quantique pourrait calculer rapidement la clé privée d'un autre appareil et lire ses messages, mettant en danger toute communication future. Mais de nombreux scientifiques étudient comment la physique quantique peut riposter et aider à créer des lignes de communication plus sûres.

Une méthode prometteuse est la distribution de clés quantiques, qui permet à deux parties d'établir directement un canal sécurisé avec une seule clé secrète. Une façon de générer la clé consiste à utiliser des paires de photons intriqués, des particules de lumière avec une connexion quantique partagée. L'enchevêtrement garantit que personne d'autre ne peut connaître la clé, et si quelqu'un essaie d'écouter, les deux parties seront averties.

Tobias Huber, un boursier postdoctoral expérimental JQI récemment arrivé, a étudié comment générer de manière fiable les photons intriqués nécessaires à cette communication sécurisée. Huber est diplômé de l'Université d'Innsbruck en Autriche, où il était supervisé par Gregor Weihs. Ils ont fréquemment collaboré avec le boursier JQI Glenn Solomon, qui a passé un semestre à Innsbruck en tant que boursier Fulbright. Au cours des deux dernières années, ils ont étudié une source particulière de photons intriqués, appelés points quantiques.

Une boîte quantique est une petite zone dans un semi-conducteur, juste des nanomètres de large, qui est intégré dans un autre semi-conducteur. Cette petite région se comporte comme un atome artificiel. Comme dans un atome, les électrons d'une boîte quantique occupent certains niveaux d'énergie discrets. Si la boîte quantique absorbe un photon de la bonne couleur, un électron peut sauter à un niveau d'énergie plus élevé. Quand c'est le cas, il laisse derrière lui une fente ouverte à l'énergie inférieure, que les physiciens appellent un trou. Finalement, l'électron va se désintégrer à son énergie d'origine, émettant un photon et remplissant le trou. La combinaison intermédiaire de l'électron excité et du trou est appelée un exciton, et deux électrons excités et deux trous sont appelés biexciton. Un biexciton se désintègre en cascade, émettant une paire de photons.

Huber, Weihs, Solomon et plusieurs collègues ont développé un moyen d'exciter directement les biexcitons dans les points quantiques à l'aide d'une séquence d'impulsions laser. Les impulsions permettent de coder des informations dans la paire de photons émis, créant une connexion entre eux connue sous le nom d'intrication temporelle. C'est le meilleur type d'enchevêtrement pour transmettre des informations quantiques à travers des fibres optiques, car il ne se dégrade pas aussi facilement que les autres types sur de longues distances. Huber et ses collègues sont les premiers à produire directement des photons intriqués dans le temps à partir de points quantiques.

Dans leur dernier ouvrage, Publié dans Optique Express , ils ont étudié comment la présence d'imperfections matérielles entourant les points quantiques influence cette génération d'intrication. Les imperfections ont leurs propres niveaux d'énergie électronique et peuvent voler un électron d'un point ou donner un électron pour combler un trou. Dans les deux cas, l'impureté empêche un exciton de se désintégrer et d'émettre un photon, diminuant le nombre de photons finalement libérés. Pour lutter contre cette perte, l'équipe a utilisé un deuxième laser pour remplir les niveaux d'électrons des impuretés et a montré que cela augmentait le nombre de photons libérés sans compromettre l'intrication entre eux.

L'équipe affirme que le nouveau travail est un pas dans la bonne direction pour faire des points quantiques une source viable de photons intriqués. Down-conversion paramétrique, un concurrent qui utilise des cristaux pour diviser l'énergie d'un photon en deux, produit occasionnellement deux paires de photons intriqués au lieu d'un. Cela pourrait permettre à un espion de lire un message crypté sans être détecté. L'absence de cet inconvénient fait des points quantiques un excellent candidat pour produire des photons intriqués pour la distribution de clés quantiques.

L'avènement de l'informatique quantique apporte de nouveaux défis de sécurité, mais des outils tels que la distribution de clés quantiques prennent ces défis de front. C'est possible que, un jour, nous pourrions avoir non seulement des ordinateurs quantiques, mais des lignes de communication à sécurité quantique, à l'abri des regards indiscrets.