C'est une chose d'imaginer un Internet quantique capable d'envoyer des informations à l'épreuve du piratage partout dans le monde via des photons superposés dans différents états quantiques. C'en est une autre de montrer physiquement que c'est possible.
C'est exactement ce qu'ont fait des physiciens de Harvard, en utilisant la fibre de télécommunication existante dans la région de Boston, lors d'une démonstration de la plus longue distance de fibre au monde entre deux nœuds de mémoire quantique à ce jour. Considérez-le comme un Internet simple et fermé entre les points A et B, transportant un signal codé non pas par des bits classiques comme l'Internet existant, mais par des particules de lumière individuelles parfaitement sécurisées.
Ce travail révolutionnaire, intitulé "Entanglement of nanophotonic quantum memory nodes in a telecom network" et publié dans Nature , a été dirigé par Mikhail Lukin, professeur au département de physique de l'Université Joshua et Beth Friedman, en collaboration avec les professeurs de Harvard Marko Lončar et Hongkun Park, qui sont tous membres de la Harvard Quantum Initiative, aux côtés de chercheurs d'Amazon Web Services.
L’équipe de Harvard a établi les fondements pratiques du premier Internet quantique en enchevêtrant deux nœuds de mémoire quantique séparés par une liaison par fibre optique déployée sur une boucle d’environ 22 milles traversant Cambridge, Somerville, Watertown et Boston. Les deux nœuds étaient situés à un étage l'un de l'autre dans le Laboratoire de science et d'ingénierie intégrées de Harvard.
La mémoire quantique, analogue à la mémoire informatique classique, est un élément important de l’avenir de l’informatique quantique interconnectée, car elle permet des opérations de réseau complexes ainsi que le stockage et la récupération d’informations. Alors que d'autres réseaux quantiques ont été créés dans le passé, celui de l'équipe de Harvard constitue le plus long réseau de fibres entre des appareils capables de stocker, traiter et déplacer des informations.
Chaque nœud est un très petit ordinateur quantique, constitué d’un éclat de diamant présentant un défaut dans sa structure atomique appelé centre de silicium. À l'intérieur du diamant, des structures sculptées inférieures à un centième de la largeur d'un cheveu humain améliorent l'interaction entre le centre de silicium et la lumière.
Le centre de silicium vacant contient deux qubits, ou bits d'information quantique :l'un sous la forme d'un spin électronique utilisé pour la communication, et l'autre sous la forme d'un spin nucléaire à plus longue durée de vie utilisé comme qubit mémoire pour stocker l'intrication (la mécanique quantique). propriété qui permet aux informations d'être parfaitement corrélées sur n'importe quelle distance).
Les deux spins sont entièrement contrôlables avec des impulsions micro-ondes. Ces dispositifs en diamant, de seulement quelques millimètres carrés, sont logés dans des unités de réfrigération à dilution qui atteignent des températures de -459 °F.
L'utilisation de centres de silicium vacants comme dispositifs de mémoire quantique pour des photons uniques constitue un programme de recherche pluriannuel à Harvard. Cette technologie résout un problème majeur de l'Internet quantique théorique :la perte de signal qui ne peut pas être améliorée par les méthodes traditionnelles.
Un réseau quantique ne peut pas utiliser de répéteurs de signaux à fibre optique standard, car la copie d'informations quantiques arbitraires est impossible, ce qui rend les informations sécurisées, mais également très difficiles à transporter sur de longues distances.
Les nœuds de réseau basés sur des centres de vacance de silicium peuvent capturer, stocker et enchevêtrer des bits d'informations quantiques tout en corrigeant la perte de signal. Après avoir refroidi les nœuds jusqu'à un niveau proche du zéro absolu, la lumière est envoyée à travers le premier nœud et, de par la nature de la structure atomique du centre de lacunes en silicium, s'enchevêtre avec lui.
"Puisque la lumière est déjà intriquée avec le premier nœud, elle peut transférer cet intrication au deuxième nœud", a expliqué le premier auteur Can Knaut, étudiant à la Kenneth C. Griffin Graduate School of Arts and Sciences du laboratoire de Lukin. "Nous appelons cela l'intrication médiée par les photons."
Au cours des dernières années, les chercheurs ont loué de la fibre optique à une entreprise de Boston pour mener leurs expériences, en installant leur réseau de démonstration au-dessus de la fibre existante pour indiquer qu'il serait possible de créer un Internet quantique avec des lignes de réseau similaires.
"Montrer que les nœuds de réseaux quantiques peuvent être intriqués dans l'environnement réel d'une zone urbaine très animée constitue une étape importante vers une mise en réseau pratique entre les ordinateurs quantiques", a déclaré Lukin.
Un réseau quantique à deux nœuds n’est qu’un début. Les chercheurs travaillent avec diligence pour étendre les performances de leur réseau en ajoutant des nœuds et en expérimentant davantage de protocoles réseau.
