Des chercheurs de l'Institut Niels Bohr de l'Université de Copenhague ont développé une nouvelle façon de créer une mémoire quantique : un petit tambour peut stocker les données envoyées avec la lumière dans ses vibrations sonores, puis transmettre les données avec de nouvelles sources de lumière lorsque cela est à nouveau nécessaire. Les résultats démontrent que la mémoire mécanique pour les données quantiques pourrait être la stratégie qui ouvre la voie à un Internet ultra-sécurisé avec des vitesses incroyables.
La recherche est publiée dans la revue Physical Review Letters.
Juste en dessous de l'ancien bureau de Niels Bohr se trouve un sous-sol où des tables dispersées sont couvertes de petits miroirs, de lasers et d'un agglomérat d'appareils de tous types reliés par des réseaux de fils et des tas de ruban adhésif. Cela ressemble à un projet d'enfant allé trop loin, que ses parents ont tenté en vain de lui faire mettre de l'ordre.
Bien qu'il soit difficile pour un œil non averti de discerner que ces tables abritent en réalité un ensemble de projets de recherche de premier plan, les événements importants se déroulent dans des mondes si petits que même les lois de Newton ne s'y appliquent pas. C’est là que les héritiers de la physique quantique de Niels Bohr développent les technologies quantiques les plus avancées.
L'un de ces projets se démarque, du moins pour les physiciens, par le fait qu'un gadget visible à l'œil nu est capable d'atteindre des états quantiques. Le tambour quantique est une petite membrane constituée d’un matériau céramique semblable à du verre avec des trous dispersés selon un motif net le long de ses bords.
Lorsque le tambour est frappé par la lumière d’un laser, il se met à vibrer, si rapidement et sans interférence que la mécanique quantique entre en jeu. Cette propriété a depuis longtemps fait sensation en ouvrant de nombreuses possibilités technologiques quantiques.
Aujourd'hui, une collaboration dans divers domaines quantiques de l'Institut a démontré que le tambour peut également jouer un rôle clé pour le futur réseau d'ordinateurs quantiques. À l’instar des alchimistes modernes, les chercheurs ont créé une nouvelle forme de « mémoire quantique » en convertissant les signaux lumineux en vibrations sonores.
Dans leur article de recherche qui vient d'être publié, les chercheurs ont prouvé que les données quantiques d'un ordinateur quantique émises sous forme de signaux lumineux (par exemple, via le type de câble à fibre optique déjà utilisé pour les connexions Internet à haut débit) peuvent être stockées sous forme de vibrations dans l'environnement. tambour puis transmis.
Des expériences antérieures avaient démontré aux chercheurs que la membrane pouvait rester dans un état quantique autrement fragile. Sur cette base, ils estiment que le tambour devrait être capable de recevoir et de transmettre des données quantiques sans « décohérer », c'est-à-dire sans perdre son état quantique lorsque les ordinateurs quantiques sont prêts.
« Cela ouvre de grandes perspectives pour le jour où les ordinateurs quantiques pourront réellement faire ce que nous attendons d’eux. La mémoire quantique est probablement fondamentale pour envoyer des informations quantiques à distance. Ce que nous avons développé constitue donc un élément crucial des fondements mêmes d'un Internet du futur doté d'une vitesse et d'une sécurité quantiques », déclare le postdoctorant Mads Bjerregaard Kristensen de l'Institut Niels Bohr, auteur principal du nouvel article de recherche.
Ultra-rapide, ultra-sécurisé
Lors du transfert d’informations entre deux ordinateurs quantiques à distance – ou parmi tant d’autres dans un Internet quantique – le signal sera rapidement noyé par le bruit. La quantité de bruit dans un câble à fibre optique augmente de façon exponentielle à mesure que le câble est long. Finalement, les données ne peuvent plus être décodées.
L'Internet classique et d'autres grands réseaux informatiques résolvent ce problème de bruit en amplifiant les signaux dans de petites stations le long des routes de transmission. Mais pour que les ordinateurs quantiques appliquent une méthode analogue, ils doivent d’abord traduire les données en systèmes de nombres binaires ordinaires, tels que ceux utilisés par un ordinateur ordinaire.
Cela ne suffira pas. Cela ralentirait le réseau et le rendrait vulnérable aux cyberattaques, car les chances que la protection classique des données soit efficace dans un avenir informatique quantique sont très faibles.
« Nous espérons plutôt que le tambour quantique sera capable d’assumer cette tâche. Il s’est montré très prometteur car il est incroyablement bien adapté pour recevoir et renvoyer des signaux provenant d’un ordinateur quantique. L’objectif est donc d’étendre la connexion entre les ordinateurs quantiques via des stations où les tambours quantiques reçoivent et retransmettent des signaux et, ce faisant, d’éviter le bruit tout en conservant les données dans un état quantique », explique Kristensen.
"Ce faisant, les vitesses et les avantages des ordinateurs quantiques, par exemple en ce qui concerne certains calculs complexes, s'étendront à travers les réseaux et Internet, car ils seront obtenus en exploitant des propriétés telles que la superposition et l'intrication qui sont propres aux états quantiques."
En cas de succès, les stations pourront également étendre des connexions sécurisées quantiques, dont les codes quantiques pourraient également être allongés par le tambour. Ces signaux sécurisés pourraient être envoyés sur différentes distances, que ce soit autour d’un réseau quantique ou outre-Atlantique, dans l’Internet quantique du futur.
Flexible, pratique et peut-être révolutionnaire en tant que RAM quantique
Des recherches sont menées ailleurs sur une alternative dans laquelle une source de lumière porteuse de données est dirigée vers un système atomique et déplace temporairement les électrons dans l'atome, mais la méthode a ses limites.
« Il y a des limites à ce que vous pouvez faire avec un système atomique, car nous ne pouvons pas concevoir les atomes ni la fréquence de la lumière pour qu'ils puissent interagir avec nous-mêmes. Notre système mécanique relativement « grand » offre plus de flexibilité. Nous pouvons bricoler et ajuster, de sorte que si de nouvelles découvertes changent les règles du jeu, il y a de fortes chances que le tambour quantique puisse être adapté », explique le professeur Albert Schliesser, co-auteur de l'article de recherche.
«Pour le meilleur ou pour le pire, nos capacités en tant que chercheurs déterminent principalement les limites du fonctionnement de tout cela», souligne-t-il.
Le tambour est la version la plus récente et la plus sérieuse de la mémoire quantique mécanique car il combine un certain nombre de propriétés : Le tambour a une faible perte de signal, c'est-à-dire que la force du signal de données est bien conservée. Il présente également l’énorme avantage de pouvoir gérer toutes les fréquences lumineuses, y compris la fréquence utilisée dans les câbles lumineux à fibres optiques sur lesquels repose l’Internet moderne.
Le tambour quantique est également pratique car les données peuvent être stockées et lues à tout moment. Et le temps de mémoire record de 23 millisecondes déjà atteint par les chercheurs rend bien plus probable que le sans souci pourrait un jour devenir un élément constitutif des systèmes de réseaux quantiques ainsi que du matériel des ordinateurs quantiques.
« Nous sommes sortis tôt avec cette recherche. L'informatique et la communication quantiques en sont encore à leurs premiers stades de développement, mais avec la mémoire que nous avons obtenue, on peut spéculer que le tambour quantique sera un jour utilisé comme une sorte de RAM quantique, une sorte de mémoire de travail temporaire pour les informations quantiques. . Et ce serait révolutionnaire », estime le professeur.