Jalon de mise en réseau quantique dans un environnement réel —

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  • Une équipe du laboratoire national d’Oak Ridge du département américain de l’Énergie, de l’Université de Stanford et de l’Université de Purdue a développé et démontré un nouveau réseau local quantique entièrement fonctionnel, ou QLAN, pour permettre des ajustements en temps réel aux informations partagées avec des systèmes géographiquement isolés à l’ORNL en utilisant photons intriqués traversant la fibre optique.

    Ce réseau illustre la façon dont les experts peuvent connecter régulièrement des ordinateurs quantiques et des capteurs à une échelle pratique, réalisant ainsi tout le potentiel de ces technologies de nouvelle génération sur la voie du très attendu Internet quantique. Les résultats de l’équipe, publiés dans PRX Quantique, marquent l’aboutissement d’années de recherches connexes.

    Les réseaux locaux qui connectent des appareils informatiques classiques ne sont pas nouveaux et les QLAN ont été testés avec succès dans des études sur table. La distribution de clés quantiques a été l’exemple le plus courant de communications quantiques sur le terrain jusqu’à présent, mais cette procédure est limitée car elle établit uniquement la sécurité, et non l’enchevêtrement, entre les sites.

    “Nous essayons de jeter les bases sur lesquelles nous pouvons construire un Internet quantique en comprenant les fonctions critiques, telles que la bande passante de distribution d’intrication”, a déclaré Nicholas Peters, chef de la section des sciences de l’information quantique à l’ORNL. “Notre objectif est de développer les outils fondamentaux et les blocs de construction dont nous avons besoin pour démontrer des applications de réseautage quantique afin qu’elles puissent être déployées dans des réseaux réels pour obtenir des avantages quantiques.”

    Lorsque deux photons – des particules de lumière – sont appariés ou intriqués, ils présentent des corrélations quantiques plus fortes que celles possibles avec n’importe quelle méthode classique, quelle que soit la distance physique qui les sépare. Ces interactions permettent des protocoles de communication quantique contre-intuitifs qui ne peuvent être réalisés qu’à l’aide de ressources quantiques.

    L’un de ces protocoles, la préparation de l’état à distance, exploite l’intrication et les communications classiques pour coder les informations en mesurant la moitié d’une paire de photons intriqués et en convertissant efficacement l’autre moitié en l’état quantique préféré. Peters a dirigé la première réalisation expérimentale générale de préparation d’état à distance en 2005 tout en obtenant son doctorat en physique. L’équipe a appliqué cette technique à tous les liens appariés dans le QLAN – un exploit jamais accompli auparavant sur un réseau – et a démontré l’évolutivité des communications quantiques basées sur l’intrication.

    Cette approche a permis à l’équipe de relier trois nœuds distants, connus sous le nom d’« Alice », « Bob » et « Charlie » – des noms couramment utilisés pour des personnages fictifs pouvant communiquer par transmissions quantiques – situés dans trois laboratoires de recherche différents dans trois bâtiments sur le campus de l’ORNL. Depuis le laboratoire contenant Alice et la source de photons, les photons ont distribué l’intrication à Bob et Charlie via l’infrastructure de fibre optique existante de l’ORNL.

    Les réseaux quantiques sont incompatibles avec les amplificateurs et autres ressources classiques d’amplification de signal, qui interfèrent avec les corrélations quantiques partagées par les photons intriqués. Avec cet inconvénient potentiel à l’esprit, l’équipe a intégré un provisionnement flexible de la bande passante du réseau, qui utilise des commutateurs sélectifs en longueur d’onde pour allouer et réaffecter des ressources quantiques aux utilisateurs du réseau sans déconnecter le QLAN. Cette technique fournit un type de tolérance aux pannes intégrée grâce auquel les opérateurs de réseau peuvent répondre à un événement imprévu, tel qu’une rupture de fibre, en redirigeant le trafic vers d’autres zones sans perturber la vitesse du réseau ou compromettre les protocoles de sécurité.

    « Parce que la demande dans un réseau peut changer au fil du temps ou avec des configurations différentes, vous ne voulez pas avoir un système avec des canaux de longueur d’onde fixes qui attribue toujours les mêmes portions à des utilisateurs particuliers », a déclaré Joseph Lukens, chercheur à Wigner ORNL ainsi que l’expert en génie électrique de l’équipe. “Au lieu de cela, vous voulez la flexibilité de fournir plus ou moins de bande passante aux utilisateurs sur le réseau en fonction de leurs besoins.”

    Par rapport à leurs homologues classiques typiques, les réseaux quantiques ont besoin que la synchronisation de l’activité de chaque nœud soit beaucoup plus étroitement synchronisée. Pour répondre à cette exigence, les chercheurs se sont appuyés sur le GPS, la même technologie polyvalente et rentable qui utilise les données satellitaires pour fournir des services de navigation quotidiens. À l’aide d’une antenne GPS située dans le laboratoire de Bob, l’équipe a partagé le signal avec chaque nœud pour s’assurer que les horloges GPS étaient synchronisées en quelques nanosecondes et qu’elles ne s’écarteraient pas pendant l’expérience.

    Après avoir obtenu des horodatages précis pour l’arrivée de photons intriqués capturés par des détecteurs de photons, l’équipe a envoyé ces mesures du QLAN à un réseau classique, où ils ont compilé des données de haute qualité provenant des trois laboratoires.

    “Cette partie du projet est devenue une expérience de mise en réseau classique difficile avec des tolérances très strictes”, a déclaré Lukens. « La synchronisation sur un réseau classique nécessite rarement ce niveau de précision ou une telle attention aux détails concernant le codage et la synchronisation entre les différents laboratoires. »

    Sans le signal GPS, la démonstration QLAN aurait généré des données de qualité inférieure et une fidélité réduite, une métrique mathématique liée aux performances du réseau quantique qui mesure la distance entre les états quantiques.

    L’équipe prévoit que de petites mises à niveau du QLAN, y compris l’ajout de plus de nœuds et l’imbrication de commutateurs sélectifs en longueur d’onde, formeraient des versions quantiques de réseaux interconnectés – la définition littérale d’Internet.

    « Internet est un vaste réseau composé de nombreux réseaux plus petits », a déclaré Muneer Alshowkan, chercheur associé postdoctoral à l’ORNL qui a apporté une précieuse expertise en informatique au projet. “La prochaine grande étape vers le développement d’un Internet quantique consiste à connecter le QLAN à d’autres réseaux quantiques.”

    De plus, les découvertes de l’équipe pourraient être appliquées pour améliorer d’autres techniques de détection, telles que celles utilisées pour rechercher des preuves de la matière noire insaisissable, la substance invisible considérée comme la principale source de matière de l’univers.

    “Imaginez la construction de réseaux de capteurs quantiques avec la capacité de voir les effets fondamentaux de la physique des hautes énergies”, a déclaré Peters. “En développant cette technologie, nous visons à réduire la sensibilité nécessaire pour mesurer ces phénomènes afin de faciliter la recherche continue de matière noire et d’autres efforts pour mieux comprendre l’univers.”

    Les chercheurs planifient déjà leur prochaine expérience, qui se concentrera sur la mise en œuvre de méthodes de synchronisation temporelle encore plus avancées pour réduire le nombre d’accidents – les sources de bruit dans le réseau – et améliorer encore la qualité de service du QLAN.

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