Des chercheurs ont présenté une nouvelle méthode pour construire un réseau quantique couvrant tout le pays en utilisant des guides de faisceaux sous vide, dans lesquels les qubits peuvent parcourir des milliers de kilomètres à l'intérieur de petits tubes scellés sous vide. Crédit : Issues.fr.com
Une nouvelle approche pour les réseaux quantiques consiste à utiliser des tubes scellés sous vide avec des lentilles espacées pour transporter des données quantiques via des photons sur de longues distances. Cette méthode, développée par des scientifiques de l'Université de Californie à Los Angeles, Université de Chicago et ses collaborateurs, vise à permettre une communication quantique sécurisée et de grande capacité sur de vastes distances.
Les ordinateurs quantiques offrent de puissants moyens d’améliorer la cybersécurité, les communications et le traitement des données, entre autres domaines. Pour tirer pleinement parti de ces avantages, il faut toutefois connecter plusieurs ordinateurs quantiques pour créer des réseaux quantiques ou un Internet quantique. Les scientifiques ont du mal à trouver des méthodes pratiques pour construire de tels réseaux, qui doivent transmettre des informations quantiques sur de longues distances.

Pour faire du réseau quantique une réalité, des chercheurs du Jiang Group de la Pritzker School of Molecular Engineering de l'Université de Chicago ont proposé de construire de longs canaux quantiques à l'aide de tubes scellés sous vide avec un réseau de lentilles espacées. Crédit : Jiang Group
Communication quantique innovante
Des chercheurs de la Pritzker School of Molecular Engineering (PME) de l’université de Chicago ont proposé une nouvelle approche : construire de longs canaux quantiques à l’aide de tubes scellés sous vide et d’un réseau de lentilles espacées. Ces guides de faisceaux sous vide, d’environ 20 centimètres de diamètre, auraient une portée de plusieurs milliers de kilomètres et une capacité de 10 000 milliards de qubits par seconde, ce qui est mieux que toute autre approche de communication quantique existante. Les photons de lumière codant les données quantiques se déplaceraient à travers les tubes sous vide et resteraient focalisés grâce aux lentilles.
« Nous pensons que ce type de réseau est réalisable et qu’il a beaucoup de potentiel », a déclaré Liang Jiang, professeur d’ingénierie moléculaire et auteur principal du nouveau travail. « Il pourrait non seulement être utilisé pour une communication sécurisée, mais aussi pour créer des réseaux distribués. l'informatique quantique « Les réseaux, les technologies de détection quantique distribuée, les nouveaux types de télescopes et les horloges synchronisées. »
Jiang a collaboré avec des scientifiques de l'Université de Stanford et de l'Institut de technologie de Californie sur ce nouveau travail, qui a été publié le 9 juillet dans Lettres d'examen physique.

Le professeur Liang Jiang de la Pritzker School of Molecular Engineering de l'Université de Chicago examine le réseau quantique proposé utilisant des guides de faisceaux sous vide, qui aurait une portée de plusieurs milliers de kilomètres et une capacité de 10 000 milliards de qubits par seconde, soit mieux que toute autre approche de communication quantique existante. Crédit : UChicago Pritzker School of Molecular Engineering / John Zich
Propriétés quantiques et transmission de données
Alors que les ordinateurs classiques codent les données en bits conventionnels (représentés par 0 ou 1), les ordinateurs quantiques s'appuient sur des qubits, qui peuvent présenter des phénomènes quantiques. Ces phénomènes incluent la superposition (une sorte de combinaison ambiguë d'états) ainsi que l'intrication, qui permet de corréler deux particules quantiques entre elles, même sur de grandes distances.
Ces propriétés confèrent aux ordinateurs quantiques la capacité d’analyser de nouveaux types de données et de stocker et transmettre des informations de manière nouvelle et sécurisée. La connexion de plusieurs ordinateurs quantiques peut les rendre encore plus puissants, car leurs capacités de traitement des données peuvent être mutualisées. Cependant, les réseaux généralement utilisés pour connecter des ordinateurs ne sont pas idéaux, car ils ne peuvent pas conserver les propriétés quantiques des qubits.
« On ne peut pas envoyer un état quantique via un réseau classique », explique Jiang. « On peut envoyer une donnée de manière classique, un ordinateur quantique peut la traiter, mais le résultat est ensuite renvoyé de nouveau de manière classique. »
Certains chercheurs ont testé des méthodes permettant d'utiliser des câbles à fibres optiques et des satellites pour transmettre des photons optiques, qui peuvent agir comme des qubits. Les photons peuvent parcourir une courte distance à travers les câbles à fibres optiques existants, mais perdent généralement rapidement leur information lorsqu'ils sont absorbés. Les photons qui rebondissent vers les satellites et reviennent au sol dans un nouvel endroit sont moins absorbés en raison du vide spatial, mais leur transmission est limitée par l'absorption atmosphérique et la disponibilité des satellites.
« Nous souhaitions combiner les avantages de chacune de ces approches précédentes », explique Yuexun Huang, étudiant diplômé du PME et premier auteur de la nouvelle étude. « Dans le vide, on peut envoyer beaucoup d’informations sans atténuation. Mais pouvoir le faire sur le terrain serait idéal. »
« Nous pensons que ce type de réseau est réalisable et qu’il présente un grand potentiel. »
— Professeur Liang Jiang
Tubes à vide au sol et information quantique
Les scientifiques travaillant à l'observatoire d'ondes gravitationnelles à interféromètre laser (LIGO) du California Institute of Technology (Caltech) ont construit d'énormes tubes à vide au sol pour contenir des photons de lumière en mouvement qui peuvent détecter ondes gravitationnelles. Expériences à LIGO ont montré qu’à l’intérieur d’un vide presque exempt de molécules, les photons peuvent voyager sur des milliers de kilomètres.
Inspirés par cette technologie, Jiang, Huang et leurs collègues ont commencé à esquisser comment des tubes à vide plus petits pourraient être utilisés pour transporter des photons entre des ordinateurs quantiques. Dans leur nouveau travail théorique, ils ont montré que ces tubes, s'ils étaient conçus et disposés correctement, pourraient transporter des photons à travers le pays. De plus, ils n'auraient besoin que d'un vide moyen (pression de 10^-4 atmosphères), ce qui est beaucoup plus facile à maintenir que le vide ultra-élevé (pression de 10^-11 atmosphères) requis pour LIGO.
« Le principal défi est qu’en tant que photon « Quand on se déplace dans le vide, le faisceau s’étale un peu », explique Jiang. « Pour y remédier, nous proposons de placer des lentilles tous les quelques kilomètres qui peuvent focaliser le faisceau sur de longues distances sans perte de diffraction. »
En collaboration avec des chercheurs du Caltech, le groupe prévoit des expériences sur table pour tester la praticité de l'idée, puis prévoit d'utiliser des tubes à vide plus grands comme ceux de LIGO pour travailler sur la manière d'aligner les lentilles et de stabiliser les faisceaux de photons sur de longues distances.
« La mise en œuvre de cette technologie à plus grande échelle pose certains problèmes de génie civil que nous devons également résoudre », a déclaré Jiang. « Mais l’avantage ultime est que nous disposons de grands réseaux quantiques capables de transmettre des dizaines de téraoctets de données par seconde. »
Financement : Ce travail a été soutenu par l'Army Research Laboratory, l'Air Force Research Laboratory, la National Science Foundation, NTT Research, la Packard Foundation, le Marshall and Arlene Bennett Family Research Program et le département américain de l'énergie.