Comment un tambour quantique pourrait tout changer sur Internet

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.

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.

Faits : comment ça marche

Avant que le signal lumineux porteur de données n'atteigne la membrane du tambour quantique, un « laser auxiliaire » veille à ce que les vibrations naturelles de la membrane, qui proviennent des conditions ambiantes, soient maîtrisées. Cela stabilise le diaphragme avec un battement de tambour qui est à la fréquence exacte qu'il préfère. C'est ce qu'on appelle la résonance.

Le tambour devient très sensible lorsqu’il entre en résonance avec le laser auxiliaire, ce qui lui permet, entre autres, de détecter avec une précision quantique le signal stocké dans la lumière porteuse de données.

Une fois que la lumière remplie de données frappe, son signal devient partie intégrante des vibrations du tambour. Ici, ils peuvent être conservés de manière stable dans une sorte de mémoire sonore avant d'être envoyés dans un troisième laser, qui est projeté sur le tambour et reflété dans un câble avec les données du signal lumineux d'origine codées.

Lorsque le tambour est frappé par la lumière d’un laser, il se met à vibrer, et ce, si rapidement et sans être dérangé, 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 un article de recherche qui vient de paraître, 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.

Montage expérimental. Crédit : Université de Copenhague

Des expériences antérieures ont démontré aux chercheurs que la membrane peut rester dans un état quantique autrement fragile. Et 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 à distance entre deux ordinateurs quantiques – 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.

Faits : ordinateurs et données quantiques

Un ordinateur classique fonctionne comme un vaste réseau de commutateurs qui peuvent être en position marche ou arrêt. Ces systèmes sont appelés binaires en raison des deux états qui constituent la base des calculs effectués par l'ordinateur. Comme des perles sur un boulier, les interrupteurs marche et arrêt forment des motifs de code binaire.

Un ordinateur quantique effectue des calculs à l’aide de la mécanique quantique et exploite ses « commutateurs quantiques », ou qubits, peuvent être dans des états quantiques, y compris la superposition, où ils sont simultanément activés et désactivés. Cela permet à un ordinateur quantique de gérer rapidement de grandes quantités d’informations, ce que les ordinateurs classiques ne peuvent pas faire.

Les données quantiques transmises via des signaux lumineux peuvent conserver leur état quantique tant qu’elles ne sont pas suffisamment perturbées. Et le tambour quantique de l’Institut Niels Bohr peut à la fois recevoir et transmettre des signaux sans perturbation.

« 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 ainsi éviter le bruit tout en conservant les données dans un état quantique », explique Mads Bjerregaard Kristensen. Il ajoute:

« 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. » il dit.

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.

Mads Bjerregaard Kristensen est la principale force derrière cette nouvelle recherche. Crédit : Université de Copenhague

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 le système atomique. atomemais 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.

Faits : connexions sécurisées quantiques

La méthode consiste à envoyer des qubits de données quantiques dans un signal lumineux ultra-court : quelques photons intriqués peuvent être utilisés pour créer des codes presque incassables.

Ces types de connexions garantissent également que toute tentative de piratage d’accès sera révélée, car la loi quantique stipule que chaque fois que quelque chose est observé, cela change.

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 la technologie devienne un jour 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 informations quantiques. Et ce serait révolutionnaire », estime le professeur.

Faits : superposition et enchevêtrement

Les règles de la nature sont différentes dans le monde de la mécanique quantique. En particulier, deux états quantiques neutralisent les limites du monde ordinaire, conférant aux ordinateurs quantiques des pouvoirs incroyables.

Superposition: En mécanique quantique, la superposition permet à une particule d'être dans plusieurs états en même temps jusqu'à ce qu'elle soit mesurée. Par exemple, un bit quantique (qubit) peut être à la fois 0 et 1 jusqu'à ce qu'il soit mesuré et s'effondre dans un certain état. Les qubits exploitent la superposition pour effectuer plusieurs calculs à la fois.

Enchevêtrement : Einstein l’a qualifié d’« action effrayante à distance ». Les états de deux ou plusieurs particules intriquées sont étroitement liés. Un changement dans l’état d’une particule affectera instantanément l’état des particules avec lesquelles elle est intriquée, quelle que soit la distance. C'est cette propriété qui permet de créer des connexions sécurisées à l'aide de codes qui ne peuvent être décodés sans une particule enchevêtrée comme clé. Cette condition ouvre également la possibilité de développer la téléportation quantique, où les informations peuvent être transférées sans aucun transfert direct de particules.