Alors que le nombre de piratages et d'atteintes à la sécurité augmente rapidement, les scientifiques disent qu'il existe peut-être un moyen de créer un réseau vraiment inviolable en utilisant les lois de la physique quantique.

Pour explorer le concept, des scientifiques créent un réseau dans la région de Chicago qui exploite les principes de la physique quantique pour envoyer des informations. Un tel lien pourrait un jour constituer la base d'un véritable réseau sécurisé, qui aurait un impact considérable sur les communications, informatique et sécurité nationale. Le gouvernement fédéral estime que les cyberactivités malveillantes ont coûté à l'économie américaine entre 57 et 109 milliards de dollars en 2016.

Le réseau quantique, soutenu par le Département américain de l'énergie (DOE), s'étendra entre le laboratoire national d'Argonne du DOE et le laboratoire national d'accélération de Fermi, une connexion qui devrait être parmi les plus longues au monde pour envoyer des informations sécurisées à l'aide de la physique quantique. L'expérience "téléportera" des informations sur une distance de 30 milles, car les particules changent instantanément d'état quantique plutôt que de se déplacer entre deux points.

"Ce projet lance la construction d'un réseau de communication basé sur les états quantiques de la matière, offrant une façon fondamentalement nouvelle de créer et d'envoyer des informations en toute sécurité, " a déclaré David Awschalom, un scientifique d'Argonne et le professeur de la famille Liew de génie moléculaire à l'Université de Chicago, qui est le chercheur principal du projet. "Nous construirons un banc d'essai national pour développer la science de l'ingénierie des systèmes quantiques et explorer les propriétés de l'intrication quantique, un phénomène qui fascine aussi bien les scientifiques que le grand public."

À la suite d'un intérêt croissant pour la recherche quantique parmi les scientifiques d'Argonne, Fermilab et UChicago, les trois institutions ont formé un partenariat, le Chicago Quantum Exchange, impliquant 70 scientifiques et ingénieurs et fédérant les talents intellectuels, capacités de recherche et puissance d'ingénierie des trois institutions affiliées.

"C'est la première fois que quelqu'un envisage même de réaliser un réseau quantique comme celui-ci :un réseau de téléportation quantique fonctionnel à longue distance aux États-Unis, " a déclaré Joe Lykken, directeur adjoint et directeur de la recherche du Fermilab. "Nous voulons démontrer la technologie quantique habilitante. Et nous voulons capitaliser sur notre expertise pour ouvrir la voie à d'autres pour créer leurs propres réseaux. Il y a des décennies, construire quelque chose comme ça n'aurait été qu'un rêve. Mais nous le faisons maintenant, et bientôt d'autres le pourront."

« Les étranges lois du quantum »

Le nouveau réseau de communication exploite les étranges lois de la mécanique quantique, qui régissent les interactions des plus petites particules.

Une partie de l'intérêt pour le développement des systèmes quantiques provient d'une règle de la mécanique quantique qui stipule que la mesure d'une particule quantique modifie son état. Les scientifiques pensent qu'un système quantique pourrait être pratiquement impossible à pirater parce que, si quelqu'un essaie de regarder une transmission, il serait dérangé, les informations détruites, et les expéditeurs alertés.

Les systèmes quantiques en cours de développement au Laboratoire Fermi et à Argonne exploiteront à terme une liaison souterraine construite pour la première fois dans les années 1980 pour tester le transfert de données. Les câbles à fibre optique sont toujours intacts et fonctionnels, ont dit les scientifiques.

Le fonctionnement du réseau quantique consiste à « enchevêtrer » des particules, une autre bizarrerie de la mécanique quantique qui dit que vous pouvez lier deux (ou plus) particules afin qu'elles soient dans un état partagé - et tout ce qui arrive à l'une affecte l'autre, même s'ils sont à des kilomètres l'un de l'autre à l'époque.

Ainsi, si les scientifiques partagent une paire de particules enchevêtrées entre deux emplacements, l'information quantique peut passer, même si les emplacements sont éloignés les uns des autres et qu'ils n'ont pas de lien physique entre eux. Alors que l'information quantique a été "téléportée, " aucun objet n'est transporté.

Jusque là, des systèmes comme ceux-ci ont été testés en laboratoire et à petite échelle. Même quelques kilomètres de distance ont été un défi, puisque les particules intriquées ne doivent interagir en aucune façon avec leur environnement, et les scientifiques doivent surmonter toute perte de photons émis par les particules et coordonner avec précision le timing de leurs transmissions.

"Réaliser la téléportation d'informations sur des distances réelles à plusieurs kilomètres nous permet d'identifier les problèmes pratiques impliqués dans l'exploitation d'un réseau quantique - quels sont les défis technologiques, à quel point la communication est-elle sécurisée, et quelles sont les limites du transport d'informations de cette manière, " a déclaré Awschalom.

"Des bancs d'essai quantiques d'échelle similaire existent dans le monde. Mais la plupart d'entre eux reposent sur des photons enchevêtrés - des particules de lumière - pour téléporter des informations. Notre banc d'essai est unique en ce sens, pour la première fois, nous poussons vers une architecture tout solide où les particules quantiques piégées dans les solides sont utilisées comme supports d'information, " a déclaré Tian Zhong, professeur adjoint d'ingénierie moléculaire à l'Université de Chicago et scientifique à Argonne, qui est co-chercheur principal du projet.

Au Laboratoire Fermi, Le professeur de physique Shang-Yi Ch'en à Caltech Maria Spiropulu construit actuellement un réseau quantique sur site avec les partenaires AT&T et Jet Propulsion Laboratory. Ils ont commencé cet effort en 2017, et un an plus tard, Spiropulu et son équipe ont déployé le réseau au sein du laboratoire Fermi et travaillent au développement de dispositifs améliorés pour la distribution d'enchevêtrement à longue distance. Leur objectif est d'étendre à terme ce réseau pour qu'il fasse partie de la liaison plus large Fermilab-Argonne.

« La mise en réseau des dispositifs quantiques est importante pour faire évoluer le calcul quantique et concevoir des systèmes de communication hybrides vers un Internet amélioré quantique, " a déclaré Spiropulu. " Il faudra une collaboration délibérée entre les laboratoires de recherche du gouvernement, universitaire, l'industrie et les fondations pour y arriver. Le programme Chicago Quantum Exchange va catalyser les progrès dans tous ces domaines."

Les 8 et 9 novembre, scientifiques d'Argonne, Fermilab et UChicago se réuniront avec l'industrie, leaders universitaires et gouvernementaux dans le domaine pour le Chicago Quantum Summit, un programme explorant l'avenir de l'informatique quantique et des sciences de l'information.

Un événement public dans la ville de Chicago intitulé « Quantum Engineering :the Next Technical Arms Race, " avec une conversation entre Awschalom et Hartmut Neven, directeur du Google Quantum Artificial Intelligence Lab, se tiendra dans le cadre du sommet.

Les travaux de développement du réseau quantique Argonne-Fermilab sont soutenus par le DOE Office of Science.