La collaboration quantique démontre à Chicagoland les premiers pas vers des réseaux quantiques longue distance fonctionnels sur des fibres optiques de télécommunications déployées, ouvrant la porte à l'informatique quantique évolutive.

Le monde attend la technologie quantique. L'informatique quantique est censée résoudre des problèmes complexes que l'informatique actuelle ou classique ne peut pas résoudre. Et la mise en réseau quantique est essentielle pour réaliser le plein potentiel de l'informatique quantique, permettant des percées dans notre compréhension de la nature, ainsi que des applications qui améliorent la vie quotidienne.

Mais pour en faire une réalité, il faut développer des ordinateurs quantiques précis et des réseaux quantiques fiables qui exploitent les technologies informatiques actuelles et l'infrastructure existante.

Récemment, comme une sorte de preuve de potentiel et un premier pas vers des réseaux quantiques fonctionnels, une équipe de chercheurs du réseau quantique Illinois-Express (IEQNET) a déployé avec succès un réseau quantique longue distance entre deux laboratoires du département américain de l'énergie (DOE). utilisant la fibre optique locale.

L'expérience a marqué la première fois que des photons codés quantiques (la particule à travers laquelle l'information quantique est transmise) et des signaux classiques ont été transmis simultanément sur une distance à l'échelle métropolitaine avec un niveau de synchronisation sans précédent.

La collaboration IEQNET comprend l'accélérateur national Fermi du DOE et les laboratoires nationaux Argonne, la Northwestern University et Caltech. Leur succès découle, en partie, du fait que ses membres englobent l'ensemble des architectures informatiques, du classique au quantique en passant par l'hybride.

«Avoir deux laboratoires nationaux distants de 50 kilomètres, travaillant sur des réseaux quantiques avec cette gamme partagée de capacités techniques et d'expertise, n'est pas une chose anodine», a déclaré Panagiotis Spentzouris, responsable du programme de science quantique au Fermilab et chercheur principal sur le projet. "Vous avez besoin d'une équipe diversifiée pour attaquer ce problème très difficile et complexe."

Et pour cette équipe, la synchronisation s'est avérée la bête à apprivoiser. Ensemble, ils ont montré qu'il est possible que des signaux quantiques et classiques coexistent sur la même fibre de réseau et parviennent à la synchronisation, à la fois sur des distances à l'échelle métropolitaine et dans des conditions réelles.

Les réseaux informatiques classiques, soulignent les chercheurs, sont suffisamment complexes. L'introduction du défi qu'est la mise en réseau quantique dans le mélange change considérablement le jeu.

Lorsque les ordinateurs classiques doivent exécuter des opérations et des fonctions synchronisées, telles que celles requises pour la sécurité et l'accélération des calculs, ils s'appuient sur ce qu'on appelle le Network Time Protocol (NTP). Ce protocole distribue un signal d'horloge sur le même réseau qui transporte les informations, avec une précision un million de fois plus rapide qu'un clin d'œil.

Avec l'informatique quantique, la précision requise est encore plus grande. Imaginez que le NTP classique est un coureur olympique; l'horloge de l'informatique quantique est The Flash, le super-héros ultra-rapide des bandes dessinées et des films.

Pour s'assurer qu'ils obtiennent des paires de photons intriqués, c'est-à-dire la capacité de s'influencer mutuellement à distance, les chercheurs doivent générer les photons encodés quantiques en grand nombre.

C'est en sachant quelles paires sont intriquées qu'intervient la synchronicité. L'équipe a utilisé des signaux de synchronisation similaires pour synchroniser les horloges à chaque destination, ou nœud, sur le réseau Fermilab-Argonne.

L'électronique de précision est utilisée pour ajuster ce signal de synchronisation en fonction de facteurs connus, comme la distance et la vitesse - dans ce cas, que les photons voyagent toujours à la vitesse de la lumière - ainsi que pour les interférences générées par l'environnement, telles que les changements de température ou les vibrations, dans la fibre optique.

Parce qu'ils n'avaient que deux brins de fibre entre les deux laboratoires, les chercheurs ont dû envoyer l'horloge sur la même fibre qui transportait les photons intriqués. La façon de séparer l'horloge du signal quantique consiste à utiliser différentes longueurs d'onde, mais cela comporte son propre défi.

"Le choix des longueurs d'onde appropriées pour les signaux de synchronisation quantiques et classiques est très important pour minimiser les interférences qui affecteront les informations quantiques", a déclaré Rajkumar Kettimuthu, informaticien d'Argonne et membre de l'équipe du projet. « Une analogie pourrait être que la fibre est une route et les longueurs d'onde sont des voies. Le photon est un cycliste et l'horloge est un camion. Si nous ne faisons pas attention, le camion peut traverser la piste cyclable. grand nombre d'expériences pour s'assurer que le camion reste dans sa voie."

En fin de compte, les deux ont été correctement assignés et contrôlés, et le signal de synchronisation et les photons ont été distribués à partir de sources au Fermilab. Au fur et à mesure que les photons arrivaient à chaque emplacement, des mesures étaient effectuées et enregistrées à l'aide des détecteurs de photons uniques à nanofils supraconducteurs d'Argonne.

"Nous avons montré des niveaux record de synchronisation en utilisant une technologie facilement disponible qui repose sur des signaux de radiofréquence codés sur la lumière", a déclaré Raju Valivarthi, chercheur à Caltech et membre de l'équipe IEQNET. "Nous avons construit et testé le système à Caltech, et les expériences IEQNET démontrent sa préparation et ses capacités dans un réseau de fibre optique réel reliant deux grands laboratoires nationaux."

Le réseau était synchronisé avec une telle précision qu'il n'a enregistré qu'une différence de temps de 5 picosecondes dans les horloges à chaque emplacement; une picoseconde est un billionième de seconde.

Une telle précision permettra aux scientifiques d'identifier et de manipuler avec précision des paires de photons intriqués pour soutenir les opérations de réseau quantique sur des distances métropolitaines dans des conditions réelles. S'appuyant sur cette réalisation, l'équipe IEQNET se prépare à effectuer des expériences pour démontrer l'échange d'intrication. Ce processus permet l'intrication entre les photons de différentes paires intriquées, créant ainsi des canaux de communication quantiques plus longs.

"Il s'agit de la première démonstration en conditions réelles d'utiliser une véritable fibre optique pour obtenir ce type de précision de synchronisation supérieure et la capacité de coexister avec des informations quantiques", a déclaré Spentzouris. "Cette performance record est une étape essentielle sur la voie de la construction de réseaux quantiques multinœuds pratiques." + Explorer plus loin

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