Alors que les efforts visant à réaliser de puissants ordinateurs quantiques et simulateurs quantiques se poursuivent, il existe un programme parallèle visant à atteindre l’analogue quantique de l’Internet classique.
Ce nouveau réseau quantique offrira une cybersécurité ultrasécurisée et à sécurité quantique, et sera à terme consacré à l'échange de qubits, les éléments unitaires de l'information quantique et au langage des ordinateurs quantiques. En fait, il fournira un réseau sur lequel différents ordinateurs quantiques pourront se connecter, comme le sont les processeurs classiques dans le cloud computing.
Un choix initial pour la future infrastructure Internet quantique est, en fait, le réseau de télécommunications existant, qui fournit un canal presque omniprésent sur lequel la lumière peut parcourir de très grandes distances avec une absorption limitée. En raison de cette faible absorption et de sa vitesse élevée, la lumière est un excellent candidat comme support d’information, qu’elle soit classique ou quantique.
La lumière laser brillante peut être facilement utilisée pour transférer des informations classiques sur Internet, tandis que l'atténuation de la lumière dans les fibres optiques est compensée par des amplificateurs de lumière placés tous les dix kilomètres à l'intérieur de ces fibres. Cependant, le transfert d’informations quantiques – la communication quantique – nécessite des moyens beaucoup plus sophistiqués.
Les bits quantiques sont toujours codés dans la lumière, en particulier dans les photons uniques, mais ce codage quantique ne peut pas être amplifié car les règles de la mécanique quantique l'empêchent ; si vous essayez d'amplifier le codage quantique, vous endommagez gravement les informations contenues dans les photons. Ainsi, les amplificateurs utilisés dans les réseaux classiques ne peuvent pas être utilisés pour les bits quantiques. Cela signifie qu'un produit radicalement nouveau sans souci est nécessaire pour construire une version quantique d’Internet : le répéteur quantique.
Alors que les amplificateurs de lumière assurent la connectivité entre des emplacements distants, les répéteurs quantiques permettront une communication longue distance en répartissant l'intrication entre eux.
L'intrication est une propriété exclusivement quantique de deux objets qui présentent des corrélations qui ne peuvent pas être reproduites par des moyens classiques, et c'est l'un des principaux composants de la communication quantique. Il peut être utilisé pour transférer des informations quantiques, par exemple par téléportation quantique entre deux nœuds d’un système de répéteur quantique.
Une façon d'établir une intrication à distance entre deux nœuds consiste à utiliser la transmission directe : une paire de photons intriqués peut être générée, l'un restant sur place tandis que l'autre se déplace vers l'autre emplacement. Cela signifie que ces derniers doivent être compatibles avec la transmission par fibre optique, tandis que les premiers doivent être stockés dans une mémoire quantique, conduisant à une intrication entre la lumière et la matière.
Désormais, il faut un ensemble de répéteurs quantiques pour associer plusieurs de ces nœuds afin de réaliser une intrication à longue distance entre les mémoires quantiques. Une architecture prometteuse pour ces nœuds répéteurs quantiques repose sur l’association de la génération spontanée de paires de photons, un processus connu sous le nom de conversion descendante spontanée (SPDC), avec une mémoire quantique externe.
C’est l’approche adoptée par les chercheurs de l’ICFO. Dans une nouvelle étude parue sur arXiv serveur de préimpression, Jelena Rakonjac, Samuele Grandi, Soren Wengerowsky, Dario Lago-Rivera et Felicien Appas, dirigés par le professeur ICREA de l'ICFO Hugues de Riedmatten, démontrent la transmission de l'intrication lumière-matière sur des dizaines de kilomètres de fibre optique.
Dans leur expérience, ils ont généré des paires de photons, l'un étant émis à la longueur d'onde de télécommunication de 1436 nm, tandis que l'autre est émis à 606 nm, compatibles avec les mémoires quantiques à semi-conducteurs utilisées, réalisées dans des cristaux spéciaux dopés avec des atomes de terres rares.
Ils ont ensuite exploité le réseau métropolitain de Barcelone, en connectant leur système à deux fibres qui partaient de l'ICFO, à Castelldefels, jusqu'au Centre de Télécommunications de Catalogne (CTTI), à l'Hospitalet de Llobregat. En reliant les deux centres, ils ont créé un anneau de 50 km, envoyant les photons jusqu'au centre-ville de Barcelone et retournant à l'ICFO.
Ainsi, ils ont démontré qu'après un aller-retour complet de 50 km, la lumière générée en laboratoire conserve ses caractéristiques quantiques sans diminution substantielle, montrant que les qubits photoniques ne manifestent pas de décohérence lorsqu'ils parcourent des dizaines de kilomètres dans un câble à fibre optique. même dans une zone métropolitaine. En bref, la lumière quantique a quitté le laboratoire et a finalement été détectée à son origine.
Cependant, la communication quantique nécessite d’utiliser et de vérifier l’intrication entre des emplacements distants, où les photons intriqués sont détectés dans des emplacements bien séparés dans l’espace et dans le temps. Dans cette direction, les chercheurs ont étendu leur réseau pour inclure un nouveau nœud, cette fois situé dans la fondation i2CAT, un bâtiment à Barcelone, à environ 44 km d'ICFO via le réseau local de fibre optique et à 17 km en ligne droite.
Là, ils ont installé un détecteur de télécommunications pour mesurer l'arrivée de photons qui traversaient l'une des fibres tandis que l'autre fibre était connectée à un transducteur, qui transformait le signal électrique du détecteur en lumière et l'envoyait à travers la ligne de fibre optique.
De cette façon, les informations ont pu être transmises à ICFO avec une grande précision, même si le photon a été détecté à environ 17 km. De plus, ils ont utilisé les mêmes transducteurs pour envoyer des signaux de synchronisation entre les deux nœuds de ce réseau de base, où la génération et la détection de corrélations quantiques étaient entièrement séparées entre deux nœuds indépendants mais connectés.
L’expérience a validé le système utilisé par les chercheurs pour générer l’intrication lumière-matière et s’est avérée être l’un des candidats pionniers pour la réalisation d’un nœud répéteur quantique, la technologie permettant la communication quantique longue distance. Des démonstrations de principe ont déjà été réalisées en laboratoire, et le groupe travaille désormais à l'amélioration des performances de la mémoire et de la source.
De plus, les chercheurs se sont associés à Cellnex (Xarxa Roberta de Catalunya) et un nouveau laboratoire est disponible dans la tour de Collserola dans le cadre des projets QNetworks et EuroQCI Espagne pour la réalisation d'un état intriqué de mémoires quantiques distantes.
La réalisation d'un réseau fédérateur longue distance pour la distribution de l'intrication entre les mémoires quantiques est également l'un des principaux objectifs de la Quantum Internet Alliance (QIA), le principal effort européen dans la réalisation de l'Internet quantique dont l'ICFO est l'un des principaux partenaires.
Les résultats de cette étude, « à savoir la transmission de l’intrication lumière-matière sur des fibres déployées dans une zone métropolitaine, constituent le premier tremplin vers la réalisation d’un Internet quantique à part entière, avec notre nœud quantique source et mémoire en son cœur », » commente Samuele Grandi, chercheur à l'ICFO et co-premier auteur de l'étude.
Comme le conclut Hugues de Riedmatten, professeur à l'ICREA à l'ICFO : « L'intrication lumière-matière est une ressource clé pour la communication quantique et a été démontrée à plusieurs reprises en laboratoire. En faire la démonstration dans le réseau de fibre optique installé est une première étape vers la réalisation d’un banc d’essai pour les technologies de répéteurs quantiques dans la région de Barcelone, préparant ainsi le terrain pour les réseaux de fibre longue distance.