Des chercheurs téléportent des informations quantiques sur un réseau quantique rudimentaire

La puissance d’un futur Internet quantique repose sur la capacité à envoyer des informations quantiques (bits quantiques) entre les nœuds du réseau. Cela permettra toutes sortes d’applications telles que le partage sécurisé d’informations confidentielles, la liaison de plusieurs ordinateurs quantiques pour augmenter leur capacité de calcul et l’utilisation de capteurs quantiques liés de haute précision.

Envoi d’informations quantiques

Les nœuds d’un tel réseau quantique sont constitués de petits processeurs quantiques. L’envoi d’informations quantiques entre ces processeurs n’est pas une mince affaire. Une possibilité est d’envoyer des bits quantiques à l’aide de particules lumineuses mais, du fait des pertes inévitables dans les câbles en fibre de verre, notamment sur de longues distances, les particules lumineuses n’atteindront très probablement pas leur destination. Comme il est fondamentalement impossible de simplement copier des bits quantiques, la perte d’une particule lumineuse signifie que l’information quantique est irrémédiablement perdue.

La téléportation offre un meilleur moyen d’envoyer des informations quantiques. Le protocole de téléportation quantique doit son nom à des similitudes avec la téléportation dans les films de science-fiction : le bit quantique disparaît du côté de l’émetteur et apparaît du côté du récepteur. Comme le bit quantique n’a donc pas besoin de traverser l’espace intermédiaire, il n’y a aucune chance qu’il soit perdu. Cela fait de la téléportation quantique une technique cruciale pour un futur Internet quantique.

Bonne maîtrise du système

Afin de pouvoir téléporter des bits quantiques, plusieurs ingrédients sont nécessaires : un lien intriqué quantique entre l’émetteur et le récepteur, une méthode fiable de lecture des processeurs quantiques et la capacité de stocker temporairement des bits quantiques. Des recherches antérieures à QuTech ont démontré qu’il est possible de téléporter des bits quantiques entre deux adjacent nœuds. Les chercheurs de QuTech ont maintenant montré pour la première fois qu’ils peuvent répondre à l’ensemble des exigences et ont démontré la téléportation entre non adjacent nœuds, c’est-à-dire sur un réseau. Ils ont téléporté des bits quantiques du nœud “Charlie” au nœud “Alice”, à l’aide d’un nœud intermédiaire “Bob”.

Téléportation en trois étapes

La téléportation se compose de trois étapes. Tout d’abord, le “téléporteur” doit être préparé, ce qui signifie qu’un état intriqué doit être créé entre Alice et Charlie. Alice et Charlie n’ont pas de connexion physique directe, mais ils sont tous les deux directement connectés à Bob. Pour cela, Alice et Bob créent un état intriqué entre leurs processeurs. Bob stocke alors sa part de l’état intriqué. Ensuite, Bob crée un état intriqué avec Charlie. Un « tour de passe-passe » de mécanique quantique est alors effectué : en effectuant une mesure spéciale dans son processeur, Bob envoie en quelque sorte l’intrication. Résultats : Alice et Charlie sont maintenant empêtrés, et le téléporteur est prêt à être utilisé !

La deuxième étape consiste à créer le “message” – le bit quantique – à téléporter. Cela peut, par exemple, être ‘1’ ou ‘0’ ou diverses autres valeurs quantiques intermédiaires. Charlie prépare ces informations quantiques. Pour montrer que la téléportation fonctionne de manière générique, les chercheurs ont répété toute l’expérience pour différentes valeurs de bits quantiques.

La troisième étape est la téléportation réelle de Charlie à Alice. Pour cela, Charlie effectue une mesure conjointe avec le message sur son processeur quantique et sur sa moitié de l’état intriqué (Alice a l’autre moitié). Ce qui se passe alors est quelque chose qui n’est possible que dans le monde quantique : à la suite de cette mesure, l’information disparaît du côté de Charlie et apparaît immédiatement du côté d’Alice.

Vous pourriez penser que tout est alors terminé, mais rien ne pourrait être plus éloigné de la vérité. En fait, le bit quantique a été chiffré lors du transfert ; la clé est déterminée par le résultat de mesure de Charlie. Alors Charlie envoie le résultat de la mesure à Alice, après quoi Alice effectue l’opération quantique pertinente pour déchiffrer le bit quantique. Par exemple via un « bit flip » : 0 devient 1 et 1 devient 0. Après qu’Alice a effectué l’opération correcte, l’information quantique est utilisable ultérieurement. La téléportation a réussi !

Se téléporter plusieurs fois

Les recherches de suivi se concentreront sur l’inversion des étapes un et deux du protocole de téléportation. Cela signifie d’abord créer (ou recevoir) le bit quantique à téléporter et seulement ensuite préparer le téléporteur pour effectuer la téléportation. Inverser l’ordre est particulièrement difficile car les informations quantiques à téléporter doivent être stockées pendant la création de l’intrication. Cependant, il présente un avantage non négligeable car la téléportation peut alors être effectuée entièrement “sur demande”. Ceci est pertinent, par exemple, si l’information quantique contient le résultat d’un calcul difficile ou si la téléportation doit être effectuée plusieurs fois. A terme, ce type de téléportation servira donc de colonne vertébrale à l’Internet quantique.

Détails du financement

Le soutien financier provient du projet phare de l’UE sur les technologies quantiques via le projet Quantum Internet Alliance (EU Horizon 2020, accord de subvention n° 820445) ; du Conseil européen de la recherche (ERC) par le biais d’une subvention ERC Consolidator Grant (accord de subvention n° 772627 à R. Hanson) ; de l’Organisation néerlandaise pour la recherche scientifique (NWO) par le biais d’une subvention VICI (projet n° 680-47-624) et du programme Zwaartekracht Quantum Software Consortium (projet n° 024.003.037/3368) et d’une bourse Erwin-Schrödinger (QuantNet , n° J 4229-N27) de la Fondation scientifique nationale autrichienne (FWF).