Un Internet quantique pourrait être utilisé pour envoyer des messages non piratables, améliorer la précision du GPS, et activer l'informatique quantique basée sur le cloud. Depuis plus de vingt ans, les rêves de créer un tel réseau quantique sont restés hors de portée en grande partie à cause de la difficulté d'envoyer des signaux quantiques sur de grandes distances sans perte.

Maintenant, Des chercheurs de Harvard et du MIT ont trouvé un moyen de corriger la perte de signal avec un prototype de nœud quantique qui peut attraper, stocker et enchevêtrer des bits d'informations quantiques. La recherche est le chaînon manquant vers un Internet quantique pratique et un grand pas en avant dans le développement de réseaux quantiques longue distance.

"Cette démonstration est une percée conceptuelle qui pourrait étendre la plus longue gamme possible de réseaux quantiques et potentiellement permettre de nombreuses nouvelles applications d'une manière impossible avec toutes les technologies existantes, " a déclaré Mikhaïl Loukine, professeur de physique George Vasmer Leverett et codirecteur de la Harvard Quantum Initiative. "Il s'agit de la réalisation d'un objectif poursuivi par notre communauté de la science et de l'ingénierie quantiques depuis plus de deux décennies."

La recherche est publiée dans La nature .

Chaque forme de technologie de communication, du premier télégraphe à l'Internet par fibre optique d'aujourd'hui, a dû faire face au fait que les signaux se dégradent et sont perdus lorsqu'ils sont transmis sur de longues distances. Les premiers répéteurs, qui reçoivent et amplifient les signaux pour corriger cette perte, ont été développés pour amplifier les signaux télégraphiques à fil qui s'estompent au milieu des années 1800. Deux cents ans plus tard, Les répéteurs font partie intégrante de notre infrastructure de communications longue distance.

Dans un réseau classique, si Alice à New York veut envoyer un message à Bob en Californie, le message voyage d'un océan à l'autre plus ou moins en ligne droite. Le long du chemin, le signal passe par des répéteurs, où il est lu, amplifié et corrigé des erreurs. L'ensemble du processus est à tout moment vulnérable aux attaques.

Si Alice veut envoyer un message quantique, cependant, le processus est différent. Les réseaux quantiques utilisent des particules quantiques de lumière (photons individuels) pour communiquer des états quantiques de lumière sur de longues distances. Ces réseaux ont une astuce que les systèmes classiques n'ont pas :l'enchevêtrement.

L'intrication, ce qu'Einstein appelait « action effrayante à distance », permet à des éléments d'information d'être parfaitement corrélés à n'importe quelle distance. Parce que les systèmes quantiques ne peuvent être observés sans changer, Alice pouvait utiliser l'enchevêtrement pour envoyer un message à Bob sans craindre les indiscrets. Cette notion est à la base d'applications telles que la cryptographie quantique, une sécurité garantie par les lois de la physique quantique.

Communication quantique sur de longues distances, cependant, est également affecté par les pertes de photons classiques, qui est l'un des obstacles majeurs à la réalisation d'un Internet quantique à grande échelle. Mais, le même principe physique qui rend la communication quantique ultra-sécurisée rend également impossible l'utilisation de l'existant, répéteurs classiques pour corriger la perte d'informations.

Comment pouvez-vous amplifier et corriger un signal si vous ne pouvez pas le lire ? La solution à cette tâche apparemment impossible implique un soi-disant répéteur quantique. Contrairement aux répéteurs classiques, qui amplifient un signal à travers un réseau existant, les répéteurs quantiques créent un réseau de particules enchevêtrées à travers lesquelles un message peut être transmis.

En substance, un répéteur quantique est un petit, ordinateur quantique spécialisé. A chaque étape d'un tel réseau, les répéteurs quantiques doivent être capables de capturer et de traiter des bits quantiques d'informations quantiques pour corriger les erreurs et les stocker suffisamment longtemps pour que le reste du réseau soit prêt. Jusqu'à maintenant, cela a été impossible pour deux raisons :d'abord, les photons uniques sont très difficiles à capturer. Seconde, l'information quantique est notoirement fragile, ce qui le rend très difficile à traiter et à stocker pendant de longues périodes.

Le labo de Lukin, en collaboration avec Marko Loncar, le professeur Tiantsai Lin de génie électrique à la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS),

Parc Hongkun, Mark Hyman Jr. Professeur de chimie à la Harvard Faculty of Arts and Sciences (FAS), et Dirk Englund, Professeur agrégé de génie électrique et d'informatique au Massachusetts Institute of Technology (MIT), s'est efforcé d'exploiter un système capable d'effectuer correctement ces deux tâches :les centres de couleur à vide de silicium dans les diamants.

Ces centres sont de minuscules défauts dans la structure atomique d'un diamant qui peuvent absorber et émettre de la lumière, donnant naissance aux couleurs brillantes d'un diamant.

« Au cours des dernières années, nos laboratoires ont travaillé pour comprendre et contrôler les centres de couleur individuels à vide de silicium, en particulier sur la façon de les utiliser comme dispositifs de mémoire quantique pour les photons uniques, " a déclaré Mihir Bhaskar, un étudiant diplômé du groupe Lukin.

Les chercheurs ont intégré un centre de couleur individuel dans une cavité en diamant nanofabriquée, qui confine les photons porteurs d'informations et les oblige à interagir avec le seul centre de couleur. Ils ont ensuite placé l'appareil dans un réfrigérateur à dilution, qui atteint des températures proches du zéro absolu, et envoyé des photons individuels à travers des câbles à fibres optiques dans le réfrigérateur, où ils ont été efficacement capturés et piégés par le centre de couleur.

L'appareil peut stocker les informations quantiques pendant des millisecondes, suffisamment longtemps pour que les informations soient transportées sur des milliers de kilomètres. Des électrodes intégrées autour de la cavité ont été utilisées pour délivrer des signaux de commande afin de traiter et de préserver les informations stockées dans la mémoire.

"Cet appareil combine les trois éléments les plus importants d'un répéteur quantique :une longue mémoire, la capacité de capter efficacement les informations des photons, et un moyen de le traiter localement, " dit Bart Machielse, un étudiant diplômé du Laboratoire d'optique à l'échelle nanométrique. "Chacun de ces défis a été abordé séparément, mais aucun appareil n'a combiné les trois."

"Actuellement, nous travaillons à prolonger cette recherche en déployant nos mémoires quantiques en réel, liaisons urbaines en fibre optique, " a déclaré Ralf Riedinger, un candidat postdoctoral dans le groupe Lukin. "Nous prévoyons de créer de grands réseaux de mémoires quantiques enchevêtrées et d'explorer les premières applications de l'Internet quantique."

« C'est la première démonstration au niveau du système, combinant des avancées majeures en nanofabrication, photonique et contrôle quantique, qui montre clairement un avantage quantique à la communication d'informations à l'aide de nœuds de répéteurs quantiques. Nous sommes impatients de commencer à explorer de nouveaux, applications uniques utilisant ces techniques, " dit Lukin.