Dans le domaine de la communication quantique, la fragilité des transmissions de qubits ressemble aux distorsions d’informations dans le jeu du téléphone pour enfants. Les scientifiques exploitent désormais les défauts des diamants pour construire des répéteurs quantiques. Ces répéteurs comblent les lacunes entre les systèmes quantiques, permettant un transfert de données plus fiable, avec des applications potentielles allant de l’intelligence artificielle à la navigation par satellite.
Cette technologie de stockage et de transmission d’informations quantiques sur des liaisons avec perte pourrait constituer la base d’un réseau quantique évolutif.
Le jeu populaire du téléphone pour enfants repose sur un principe simple : le premier joueur chuchote un message à l’oreille du joueur suivant. Ce deuxième joueur transmet ensuite le message à la troisième personne et ainsi de suite jusqu’à ce que le message parvienne au destinataire final, qui le relaie à haute voix au groupe. Souvent, ce que la première personne a dit et ce que la dernière personne a entendu sont ridiculement différents ; les informations sont brouillées tout au long de la chaîne.
De telles erreurs de transmission du début à la fin sont également courantes dans le monde quantique. À mesure que les bits d’information quantique, ou qubits (les analogues des bits classiques de l’électronique numérique traditionnelle), circulent sur un canal, leurs états quantiques peuvent se dégrader ou être entièrement perdus. Une telle décohérence est particulièrement courante sur des distances de plus en plus longues, car les qubits – qu’ils existent sous forme de particules de lumière (photons), d’électrons, d’atomes ou d’autres formes – sont intrinsèquement fragiles et régis par les lois de la physique quantique ou de la physique des très petits objets. .
A cette petite échelle (à l’échelle nanométrique), même de légères interactions avec leur environnement peuvent faire perdre aux qubits leurs propriétés quantiques et altérer les informations qu’ils stockent. Comme dans le jeu du téléphone, les messages originaux et reçus peuvent ne pas être les mêmes.
Un prototype de module répéteur quantique (au centre), monté sur un assemblage en cuivre plaqué or et connecté à des cartes de circuits imprimés (vert), comprend huit mémoires optiques qui stockent des qubits dans un atome de silicium dans un diamant. Crédit : Glen Cooper
Défis et potentiels des réseaux quantiques
« L’un des grands défis des réseaux quantiques est de savoir comment déplacer efficacement ces états quantiques délicats entre plusieurs systèmes quantiques », déclare Scott Hamilton, responsable de MIT Groupe de technologies de communications optiques et quantiques du Laboratoire Lincoln, qui fait partie du domaine R&D des systèmes de communications. « C’est une question que nous explorons activement dans notre groupe. »
Comme l’explique Hamilton, aujourd’hui l’informatique quantique les puces contiennent de l’ordre de 100 qubits. Mais des milliers, voire des milliards de qubits sont nécessaires pour fabriquer un ordinateur quantique pleinement fonctionnel, qui promet de débloquer une puissance de calcul sans précédent pour des applications allant de l’intelligence artificielle et de la cybersécurité aux soins de santé et à l’industrie manufacturière. L’interconnexion des puces pour créer un seul grand ordinateur peut constituer une voie viable à suivre.
Sur le plan de la détection, la connexion de capteurs quantiques pour partager des informations quantiques peut permettre de nouvelles capacités et des gains de performances au-delà de ceux d’un capteur individuel. Par exemple, une référence quantique partagée entre plusieurs capteurs pourrait être utilisée pour localiser plus précisément les sources d’émission radiofréquence.
Les membres de l’équipe de réseautage quantique du Lincoln Laboratory sont (de gauche à droite) : John Cummings, Ryan Murphy, David Starling, P. Ben Dixon, Katia Shtyrkova, W. John Nowak, Scott Hamilton et Eric Bersin. Crédit : Glen Cooper
Les agences spatiales et de défense souhaitent également interconnecter des capteurs quantiques séparés par de longues portées pour les systèmes de position, de navigation et de chronométrage par satellite ou les réseaux d’horloge atomique entre satellites. Pour les communications, les satellites quantiques pourraient être utilisés dans le cadre d’une architecture de réseau quantique reliant des stations locales au sol, créant ainsi un Internet quantique véritablement mondial.
Cependant, les systèmes quantiques ne peuvent pas être interconnectés avec la technologie existante. Les systèmes de communication utilisés aujourd’hui pour transmettre des informations sur un réseau et connecter des appareils reposent sur des détecteurs qui mesurent les bits et des amplificateurs qui copient les bits. Ces technologies ne fonctionnent pas dans un réseau quantique car les qubits ne peuvent pas être mesurés ou copiés sans détruire l’état quantique ; les qubits existent dans une superposition d’états entre zéro et un, par opposition aux bits classiques, qui sont dans un état défini de zéro (off) ou un (on).
C’est pourquoi les chercheurs ont tenté de développer les équivalents quantiques des amplificateurs classiques pour surmonter les pertes de transmission et d’interconnexion. Ces équivalents sont connus sous le nom de répéteurs quantiques et fonctionnent de manière similaire aux amplificateurs, divisant la distance de transmission en segments plus petits et plus gérables pour réduire les pertes.
Répéteurs quantiques : l’avenir de la communication quantique
« Les répéteurs quantiques sont une technologie essentielle pour que les réseaux quantiques puissent envoyer avec succès des informations via des liaisons avec perte », explique Hamilton. « Mais personne n’a encore créé de répéteur quantique entièrement fonctionnel. »
La complexité réside dans le fonctionnement des répéteurs quantiques. Plutôt que d’utiliser un simple « copier-coller », comme le font les répéteurs classiques, les répéteurs quantiques fonctionnent en exploitant un étrange phénomène quantique appelé intrication. Dans l’intrication quantique, deux particules deviennent fortement connectées et corrélées dans l’espace, quelle que soit la distance qui les sépare. Si vous connaissez l’état d’une particule dans une paire intriquée, alors vous connaissez automatiquement l’état de l’autre.
Les qubits intriqués peuvent servir de ressource pour la téléportation quantique, dans laquelle des informations quantiques sont envoyées entre des systèmes distants sans déplacer les particules réelles ; les informations disparaissent à un endroit et réapparaissent à un autre. La téléportation évite le trajet physique le long des câbles à fibre optique et élimine donc le risque associé de perte d’informations. Les répéteurs quantiques sont ce qui relie tout : ils permettent la génération de bout en bout de l’intrication quantique et, finalement, avec la téléportation quantique, la transmission de bout en bout des qubits.
Ben Dixon teste un diamant cultivé au laboratoire Lincoln (vert brillant) dans un système de microscope cryogénique capable d’identifier et de caractériser les lacunes individuelles en silicium dans le diamant. Crédit : Glen Cooper
Ben Dixon, chercheur au sein du groupe de technologie des communications optiques et quantiques, explique le fonctionnement du processus : « Tout d’abord, vous devez générer des paires de qubits intriqués spécifiques (appelés états de Bell) et les transmettre dans différentes directions à travers la liaison réseau vers deux qubits distincts. des répéteurs quantiques, qui capturent et stockent ces qubits.
« L’un des répéteurs quantiques effectue ensuite une mesure de deux qubits entre le qubit transmis et stocké et un qubit arbitraire que nous souhaitons envoyer via la liaison afin d’interconnecter les systèmes quantiques distants. Les résultats des mesures sont communiqués au répéteur quantique à l’autre extrémité de la liaison ; le répéteur utilise ces résultats pour transformer le qubit d’état de Bell stocké en qubit arbitraire. Enfin, le répéteur peut envoyer le qubit arbitraire dans le système quantique, reliant ainsi les deux systèmes quantiques distants.
Avancées dans la mémoire quantique
Pour conserver les états intriqués, le répéteur quantique a besoin d’un moyen de les stocker – en fait, une mémoire. En 2020, des collaborateurs de l’Université Harvard ont démontré la présence d’un qubit dans un seul silicium. atome (piégé entre deux espaces vides laissés par la suppression de deux atomes de carbone) dans le diamant. Ce centre « vacant » de silicium dans le diamant est une option intéressante de mémoire quantique.
Comme les autres électrons individuels, l’électron le plus externe (de valence) de l’atome de silicium peut pointer vers le haut ou vers le bas, à la manière d’un barreau magnétique doté de pôles nord et sud. La direction dans laquelle pointe l’électron est connue sous le nom de spin, et les deux états de spin possibles, rotation vers le haut ou vers le bas, s’apparentent aux uns et aux zéros utilisés par les ordinateurs pour représenter, traiter et stocker des informations.
Cette image Google Earth montre le réseau de télécommunications en fibre optique interconnectant le laboratoire Lincoln à Lexington, dans le Massachusetts ; MIT dans l’est de Cambridge ; et l’Université Harvard, dans le centre de Cambridge. Crédit : Éric Bersin
De plus, l’électron de valence du silicium peut être manipulé avec la lumière visible pour transférer et stocker un qubit photonique dans l’état de spin électronique. C’est exactement ce que les chercheurs de Harvard ont fait : ils ont modélisé un guide d’ondes optique (une structure qui guide la lumière dans une direction souhaitée) entouré d’une cavité optique nanophotonique pour avoir une photon interagissent fortement avec l’atome de silicium et transmettent son état quantique à cet atome.
Des collaborateurs du MIT ont ensuite montré que cette fonctionnalité de base pouvait fonctionner avec plusieurs guides d’ondes ; ils ont modélisé huit guides d’ondes et ont réussi à générer des lacunes en silicium à l’intérieur de chacun d’eux.
Depuis lors, le laboratoire Lincoln applique l’ingénierie quantique pour créer un module de mémoire quantique doté de capacités supplémentaires lui permettant de fonctionner comme un répéteur quantique. Cet effort d’ingénierie comprend la croissance de diamants personnalisés sur site (avec le Quantum Information and Integrated Nanosystems Group) ; le développement d’un interposeur silicium-nanophotonique évolutif (une puce qui fusionne les fonctionnalités photoniques et électroniques) pour contrôler le qubit de silicium vacant ; et l’intégration et le conditionnement des composants dans un système qui peut être refroidi aux températures cryogéniques nécessaires au stockage de la mémoire à long terme. Le système actuel dispose de deux modules de mémoire, chacun capable de contenir huit qubits optiques.
Tests pratiques et résultats
Pour tester les technologies, l’équipe a utilisé un banc d’essai de fibres optiques loué par le laboratoire. Ce banc d’essai comprend une fibre de réseau de télécommunications de 50 kilomètres de long reliant actuellement trois nœuds : le laboratoire Lincoln au campus du MIT et le campus du MIT à Harvard. Les partenaires industriels locaux peuvent également exploiter cette fibre dans le cadre du Boston-Area Quantum Network (BARQNET).
« Notre objectif est de prendre des recherches de pointe effectuées par nos partenaires universitaires et de les transformer en quelque chose que nous pouvons apporter en dehors du laboratoire pour tester sur des canaux réels avec une perte réelle », explique Hamilton. « Toute cette infrastructure est essentielle pour réaliser des expériences de base afin de s’emmêler dans un système de fibre optique et de le déplacer entre différentes parties. »
Grâce à ce banc d’essai, l’équipe, en collaboration avec des chercheurs du MIT et de Harvard, est devenue la première au monde à démontrer une interaction quantique avec une mémoire quantique nanophotonique à travers une fibre de télécommunications déployée. Avec le répéteur quantique situé à Harvard, ils ont envoyé des photons codés avec des états quantiques depuis le laboratoire, à travers la fibre, et les ont interfacés avec la mémoire quantique à vide de silicium qui capturait et stockait les états quantiques transmis. Ils ont mesuré l’électron sur l’atome de silicium pour déterminer dans quelle mesure les états quantiques étaient transférés vers la position de rotation supérieure ou inférieure de l’atome de silicium.
« Nous avons examiné les performances de notre banc d’essai pour les mesures pertinentes des répéteurs quantiques de distance, d’efficacité (erreur de perte), de fidélité et d’évolutivité et avons constaté que nous avions atteint le meilleur ou le plus proche pour toutes ces mesures, par rapport à d’autres efforts de premier plan dans le monde. « , dit Dixon. « Notre distance est plus longue que quiconque ne l’a montré ; notre efficacité est correcte et nous pensons pouvoir l’améliorer encore en optimisant certains composants de notre banc d’essai ; le qubit lu dans la mémoire correspond au qubit que nous avons envoyé avec une fidélité de 87,5 % ; et le diamant a une évolutivité inhérente en matière de motifs lithographiques dans laquelle vous pouvez imaginer mettre des milliers de qubits sur une seule petite puce.
L’équipe du Lincoln Laboratory se concentre désormais sur la combinaison de plusieurs mémoires quantiques à chaque nœud et sur l’intégration de nœuds supplémentaires dans le banc d’essai du réseau quantique. De telles avancées permettront à l’équipe d’explorer les protocoles de réseautage quantique au niveau du système. Ils attendent également avec impatience les recherches en science des matériaux menées par leurs collaborateurs de Harvard et du MIT. Ces recherches pourraient identifier d’autres types d’atomes dans le diamant capables de fonctionner à des températures légèrement plus chaudes pour un fonctionnement plus pratique.
Le module de mémoire quantique nanophotonique a été récompensé par un R&D 100 Award 2023.
