Nos recherches en technologie quantique ont réalisé une nouvelle avancée. La mise en place d'un réseau quantique devient une réalité possible

Selon les informations de l’Université des sciences et technologies de Chine, récemment, Jianshuai Pan et ses collègues de l’Université des sciences et technologies de Chine ont réalisé une avancée majeure dans la recherche sur les réseaux quantiques extensibles. Wang Ye, Wan Yong, Zhang Qiang, Jianshuai Pan et d’autres, en collaboration avec l’Institut de technologie quantique de Jinan, l’Institut de micro-systèmes et de technologie de l’information de l’Académie chinoise des sciences, l’Université de Hong Kong, l’Université Tsinghua, etc., ont construit un module de base pour un relais quantique extensible, rendant possible la réalisation d’un réseau quantique à longue distance. Par ailleurs, Bao Xiaohui, Xu Feihu, Zhang Qiang, Jianshuai Pan et d’autres, en partenariat avec l’Institut de technologie quantique de Jinan, l’Université nationale de Singapour, l’Université de Waterloo au Canada, etc., ont réussi à établir un état d’intrication à haute fidélité à distance entre des nœuds à un seul atome, et sur cette base, ont dépassé la distance de transmission de la distribution de clés quantiques sans dépendance au dispositif (DI-QKD) de 100 kilomètres, faisant un grand pas vers la mise en pratique de cette technologie. Ces deux résultats ont été publiés respectivement les 3 et 6 février, heure de Beijing, dans les revues académiques internationales de renom « Nature » et « Science ».

Ces avancées représentent un autre jalon dans le domaine de la communication quantique et des réseaux quantiques en Chine, après le lancement du satellite quantique « Micius », marquant la transition des concepts théoriques à la possibilité concrète de réseaux optiques basés sur l’intrication quantique, et renforçant la position de leader international de la Chine dans ce domaine.

L’objectif ultime de la science de l’information quantique est de construire un réseau quantique efficace et sécurisé : utiliser la mesure quantique de précision pour une perception haute précision de l’information, la communication quantique pour une transmission sécurisée et efficace de l’information, et le calcul quantique pour un traitement exponentiel accéléré de l’information, afin de réaliser une révolution dans la compréhension du monde matériel. La composante fondamentale pour construire un réseau quantique est la distribution d’intrication quantique déterministe à longue distance. Basé sur l’intrication, non seulement la distribution de clés quantiques permet une transmission sécurisée d’informations classiques, mais aussi, via la téléportation quantique, offre une voie unique et efficace pour l’interaction d’informations quantiques entre ordinateurs quantiques et utilisateurs.

Figure 1. Schéma d’un réseau quantique

La perte inhérente de la fibre optique entraîne une atténuation exponentielle de l’efficacité de transmission de l’intrication quantique avec la distance, constituant le principal défi pour la construction de réseaux quantiques extensibles. Par exemple, après transmission sur 1000 kilomètres de fibre optique standard, le signal lumineux s’affaiblit à un dix-milliardième (10^-20) de son intensité initiale, ce qui signifie qu’avec 10 milliards de paires d’photons intriqués émis par seconde, il faudrait en moyenne 300 ans pour en recevoir une seule paire.

Le relais quantique est une solution efficace pour pallier aux pertes de transmission dans la fibre : par exemple, dans une ligne de 1000 kilomètres, on peut installer un relais tous les 100 kilomètres, générer de l’intrication entre ces relais, puis échanger cette intrication pour relier efficacement des points distants. Avec cette méthode, en utilisant la même source lumineuse, on peut recevoir chaque seconde 100 millions de paires d’photons intriqués, ce qui représente une amélioration de 100 milliards de milliards de fois en efficacité. Ainsi, le relais quantique est depuis longtemps le domaine de recherche le plus important pour les réseaux quantiques à fibre.

Figure 2. Schéma du principe du relais quantique. (1) L’intrication est établie entre des nœuds voisins (par exemple A et B, B et C, etc.) via une interference photonique. (2) La commutation d’intrication effectuée au nœud B permet d’établir une intrication entre A et C, et ainsi de suite. (3) Par une succession de commutations, la distance d’intrication est étendue étape par étape, jusqu’à établir une intrication entre le nœud A le plus éloigné et K.

Déjà en 1998, Jianshuai Pan et ses collègues avaient démontré la connexion d’intrication quantique à l’échelle internationale. Depuis, plusieurs équipes de recherche nationales et internationales ont réalisé d’importants progrès. Cependant, un défi technologique majeur, non résolu depuis près de 30 ans, est que : la durée de vie de l’intrication est bien inférieure au temps nécessaire pour la générer, rendant difficile la génération déterministe d’intrication entre nœuds adjacents dans le temps de vie de l’intrication, ce qui limite la connectivité efficace de l’intrication et freine la scalabilité des relais quantiques.

Face à cette difficulté centrale, l’équipe de recherche de l’Université des sciences et technologies de Chine a développé un stockage quantique d’ions piégés à longue durée de vie, une interface de communication ion-photon à haute efficacité, et un protocole d’intrication à photon unique à haute fidélité, permettant d’obtenir une intrication quantique à longue durée de vie, avec une durée de vie de l’intrication (550 ms) nettement supérieure au temps nécessaire pour l’établir (450 ms), réussissant ainsi à construire un module de base pour un relais quantique extensible, rendant possible un réseau quantique à longue distance.

Figure 3. Schéma du principe du module de relais quantique extensible. (1) L’expérience comprend un stockage quantique d’ions piégés à longue durée de vie, un module de conversion de fréquence quantique à haute efficacité, et un module d’interférence photonique à contraste élevé. (2) La vitesse d’établissement de l’intrication est de 2,226 Hz, soit un temps d’attente d’environ 450 ms. (3) La durée de vie de l’intrication est d’environ 550 ms.

Une application directe de la distribution d’intrication à longue distance est la réalisation d’une communication quantique confidentielle avec le plus haut niveau de sécurité dans des conditions réelles. Les anciennes méthodes de communication quantique nécessitaient un calibrage précis des paramètres des dispositifs pour garantir la sécurité pratique, ce qui pouvait compliquer leur utilisation. La distribution de clés quantiques sans dépendance au dispositif (DI-QKD), basée sur l’intrication, dépasse cette limite : même si les dispositifs quantiques sont totalement non fiables, tant que les deux parties peuvent établir une intrication de haute qualité et vérifier la violation du Bell, la sécurité de la distribution de clés est strictement assurée sans calibration précise des paramètres. Gilles Brassard, l’un des fondateurs de la cryptographie quantique et lauréat du prix Wolf 2018, a qualifié la DI-QKD de « Saint-Graal » recherché par les cryptographes depuis des millénaires.

Cependant, la mise en œuvre expérimentale de la DI-QKD présente des défis technologiques extrêmes. L’intrication quantique entre nœuds distants doit satisfaire simultanément aux conditions suivantes : (1) une efficacité de détection très élevée pour fermer efficacement la faille d’efficacité du détecteur ; (2) une fidélité de l’intrication très élevée pour assurer une violation significative de l’inégalité de Bell. En raison des pertes dans la fibre longue distance et du bruit du système, la plupart des expériences antérieures se limitaient à des distances courtes (quelques mètres à quelques centaines de mètres), bien en deçà des besoins réels.

En s’appuyant sur la technologie de relais quantique extensible, l’équipe de l’Université des sciences et technologies de Chine a également réussi à établir une intrication à haute fidélité entre deux atomes de rubidium à distance : sur une liaison en fibre de 100 kilomètres, la fidélité de l’intrication entre les nœuds atomiques reste supérieure à 90 %, bien meilleure que les résultats précédents internationaux. Sur cette base, ils ont réalisé une distribution de clés quantiques sans dépendance au dispositif sur une liaison en fibre de 11 kilomètres, avec une analyse de sécurité basée sur un nombre limité de données, améliorant la distance de transmission d’environ 3000 fois par rapport aux meilleurs résultats précédents ; ils ont aussi démontré la faisabilité de la génération de clés sur une liaison de 100 kilomètres, dépassant de plus de deux ordres de grandeur les meilleurs résultats internationaux antérieurs.

Figure 4. Schéma de l’expérience DI-QKD sur 100 kilomètres. Les atomes individuels aux deux extrémités émettent des photons via un processus de génération de photons de Rydberg, puis ces photons sont transmis par une fibre longue distance vers un nœud intermédiaire où ils interfèrent. Après détection de l’événement prévu, les atomes aux deux extrémités sont projetés dans un état intriqué à longue distance, réalisant ainsi la distribution de l’intrication. Ensuite, des mesures aléatoires dans des bases choisies au hasard sont effectuées sur les atomes, et les résultats servent à vérifier l’inégalité de Bell pour assurer la sécurité, puis les données sont traitées pour générer une clé sécurisée après vérification.

Ces deux travaux ont été soutenus par le Projet national de grande importance, la Fondation nationale des sciences naturelles, l’Académie chinoise des sciences, ainsi que par les gouvernements de la province de Anhui, de la ville de Hefei, du Shandong, de Jinan, de Hong Kong, etc.

(Article source : Caixin)