Alors que les ordinateurs quantiques représentent une révolution dans le calcul, ils ne peuvent pas communiquer entre eux comme le peuvent les ordinateurs ordinaires, via Internet. Si les ordinateurs quantiques pouvaient être connectés via un réseau quantique, ils pourraient faciliter une communication parfaitement sécurisée entre plus de deux parties ou combiner la puissance de calcul pour résoudre des problèmes beaucoup plus difficiles qu'un ordinateur quantique ne pourrait faire seul.

Lors d'une session invitée à la réunion de mars de l'American Physical Society, deux physiciens du Chicago Quantum Exchange ont adopté différentes approches pour surmonter un obstacle central à la mise en œuvre de réseaux quantiques terrestres à grande échelle :la distance entre les nœuds est limitée par la distance à laquelle un signal quantique peut voyager à travers la fibre optique.

Une solution pour à la fois amplifier et prévenir la perte de données

Liang Jiang, professeur à l'Université de Chicago, s'est concentré sur la solution la plus largement recherchée :un répéteur quantique. Des répéteurs quantiques seraient placés entre les nœuds d'un réseau pour régénérer le signal quantique afin qu'il puisse parcourir de plus longues distances. Personne n'a encore fait la démonstration d'un répéteur quantique réussi, bien qu'"il y ait des progrès significatifs dans cette direction", selon Jiang.

Outre la régénération du signal, les répéteurs quantiques pourraient également empêcher la perte de données sur de longues distances grâce à la correction des erreurs. Les codes de correction d'erreur sont monnaie courante dans les réseaux classiques, tels que Bluetooth et WiFi, où ils contrôlent les erreurs qui se produisent naturellement dans les données lorsqu'un signal les transporte d'un appareil à un autre.

Mais les systèmes quantiques sont extrêmement sujets aux erreurs en raison de la nature sensible de leurs états quantiques, de sorte que la correction d'erreurs est un domaine d'étude vaste et important dans le domaine de la technologie quantique.

"Il y a deux questions importantes à poser, du point de vue de la théorie", a déclaré Jiang. "Premièrement, quelle est la quantité maximale d'informations quantiques qui peut être transmise sur un canal fibre bruyant ? Deuxièmement, supposons que nous connaissions cette limite. Pouvons-nous l'atteindre avec une bonne conception de code de correction d'erreur quantique ?"

En plus des stratégies de correction d'erreur quantique dans les répéteurs quantiques, ainsi que de leurs efficacités prévues, Jiang a partagé une autre application des réseaux quantiques :les centres de données quantiques (QDC), où les utilisateurs d'un réseau quantique peuvent accéder à une base de données classique à des fins de quantique. l'informatique. Le dispositif nécessaire pour récupérer les données classiques d'une base de données sous forme de bits quantiques, appelé mémoire vive quantique (QRAM), serait probablement extrêmement coûteux, mais Jiang considère les QDC comme une solution.

"Nous pourrions vouloir utiliser la QRAM comme serveur quantique, se connectant aux utilisateurs via un réseau quantique", a déclaré Jiang. "Tous les utilisateurs individuels peuvent alors interroger la base de données via le réseau quantique sans avoir besoin d'avoir une QRAM de leur côté. Cela pourrait partager le coût d'un appareil aussi coûteux."

Amener les réseaux quantiques dans les airs et au-delà

Pour Paul Kwiat, professeur Bardeen de physique à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, une solution au problème de la perte de signal de la fibre optique pourrait être de faire décoller le réseau quantique du sol et dans les airs, via des drones, ou même dans l'espace, avec des satellites.

"Pour le moment, nous n'avons pratiquement que des réseaux fibre locaux, à de très rares exceptions près", a déclaré Kwiat. "Et j'ai cette vision de ce vers quoi nous aimerions évoluer - une situation beaucoup plus hétérogène, où nous avons des connexions entre toutes sortes de plates-formes… en utilisant des satellites, en nous connectant à des véhicules aéroportés, des drones, des camions ou des bateaux." Il a noté que la perte de signal est beaucoup plus lente dans l'espace libre que dans les fibres optiques, ce qui signifie qu'un signal quantique peut être transmis sur une plus longue distance.

Les avantages d'un tel réseau quantique « mobile », où les nœuds sont faciles à repositionner, sont nombreux. Certains sont scientifiques, comme la réalisation de détection quantique à grande échelle ou l'étude de phénomènes quantiques dans différents référentiels inertiels pour tester la relation entre la mécanique quantique et la relativité. Certains sont plus pratiques :utiliser des véhicules aéroportés comme nœuds de communication quantique là où les connexions par fibre ne sont pas une option, comme sur les navires de guerre sur l'océan.

Un réseau quantique entre les satellites dans l'espace permettrait encore plus de tests de la mécanique quantique fondamentale, avec des distances et des vitesses plus grandes que ce qui est possible sur Terre, et sur des régions avec des effets gravitationnels changeants.

L'année dernière, la NASA a aidé à financer un projet dirigé par les États-Unis appelé Space Entanglement and Annealing QUantum Experiment (SEAQUE), qui testera les technologies de communication quantique en orbite. Il s'agira de la première charge utile de science de l'information quantique sur un module de station spatiale commerciale :Nanoracks Bishop Airlock, qui est attaché à la Station spatiale internationale. Ce sera également la première "source de guide d'ondes optique intégrée" en vol, qui est plus efficace que les expériences quantiques précédentes similaires, car il n'y a pas de pièces mobiles qui nécessitent un réalignement régulier. Le lancement de SEAQUE est actuellement prévu au printemps 2023.

Le groupe de Kwiat, chef de file du projet, est responsable de la charge utile optique et de la carte de contrôle de SEAQUE ; d'autres éléments sont fournis par des institutions aux États-Unis, au Canada et à Singapour.

"Je suis ravi parce qu'il s'agit d'une expérience quantique trinationale dans l'espace", a déclaré Kwiat. "Ça a été très amusant." + Explorer plus loin

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