Les physiciens démontrent le premier réseau d'ordinateurs quantiques de la région métropolitaine à Boston

15 mai 2024

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par l'université de Harvard

Il est une chose de rêver d'un internet quantique qui pourrait envoyer des informations inviolables à travers le monde via des photons superposés dans différents états quantiques. Il est tout autre de montrer physiquement que cela est possible.

C'est exactement ce que les physiciens de Harvard ont fait, en utilisant la fibre de télécommunication existante dans la région de Boston, dans une démonstration de la plus longue distance de fibre entre deux nœuds de mémoire quantique à ce jour. On peut le voir comme un internet simple et fermé entre le point A et le B, transportant un signal encodé non pas par des bits classiques comme l'internet existant, mais par des particules de lumière parfaitement sécurisées.

Le travail révolutionnaire, intitulé 'Entrelacement de nœuds de mémoire quantique nanophotonique dans un réseau de télécommunication' et publié dans Nature, a été dirigé par Mikhail Lukin, professeur d'université Joshua et Beth Friedman dans le département de physique, en collaboration avec les professeurs de Harvard Marko Lončar et Hongkun Park, tous membres de l'Initiative quantique de Harvard, aux côtés de chercheurs d'Amazon Web Services.

L'équipe de Harvard a établi les bases pratiques du premier internet quantique en entrelaçant deux nœuds de mémoire quantique séparés par une liaison de fibre optique déployée sur une boucle d'environ 22 miles à travers Cambridge, Somerville, Watertown et Boston. Les deux nœuds étaient situés à un étage d'intervalle dans le laboratoire de science et d'ingénierie intégrées de Harvard.

La mémoire quantique, analogue à la mémoire des ordinateurs classiques, est un composant important pour un avenir en informatique quantique interconnectée car elle permet des opérations de réseau complexes et le stockage et la récupération d'informations. Alors que d'autres réseaux quantiques ont été créés par le passé, celui de l'équipe de Harvard est le réseau de fibre le plus long entre des dispositifs qui peuvent stocker, traiter et déplacer des informations.

Chaque nœud est un tout petit ordinateur quantique, fabriqué à partir d'un éclat de diamant présentant un défaut dans sa structure atomique appelé centre de vacance au silicium. À l'intérieur du diamant, des structures sculptées plus petites qu'un centième de la largeur d'un cheveu humain renforcent l'interaction entre le centre de vacance au silicium et la lumière.

Le centre de vacance au silicium contient deux qubits, ou bits d'information quantique : l'un sous la forme d'un spin d'électron utilisé pour la communication, et l'autre sous la forme d'un spin nucléaire à longue durée de vie utilisé comme qubit de mémoire pour stocker l'entrelacement (la propriété quantique-mécanique qui permet à l'information d'être parfaitement corrélée sur n'importe quelle distance).

Les deux spins sont entièrement contrôlables avec des impulsions micro-ondes. Ces dispositifs en diamant, de quelques millimètres carrés seulement, sont logés à l'intérieur de réfrigérateurs à dilution qui atteignent des températures de -459°F.

Utiliser les centres de vacance au silicium comme dispositifs de mémoire quantique pour les photons uniques a fait l'objet d'un programme de recherche de plusieurs années à Harvard. La technologie résout un problème majeur de l'internet quantique théorisé : la perte de signal qui ne peut être amplifiée de manière traditionnelle.

En effet, un réseau quantique ne peut pas utiliser de répéteurs de signal fibre optique standard car la copie d'informations quantiques arbitraires est impossible, ce qui rend l'information sécurisée, mais aussi très difficile à transporter sur de longues distances.

Les nœuds de réseau basés sur des centres de vacance au silicium peuvent capter, stocker et entrelacer des bits d'information quantique tout en corrigeant la perte de signal. Après avoir refroidi les nœuds à une température proche du zéro absolu, la lumière est envoyée à travers le premier nœud et, par la nature de la structure atomique du centre de vacance au silicium, elle s'entrelace avec lui.

'Puisque la lumière est déjà enchevêtrée avec le premier nœud, elle peut transférer cet enchevêtrement au second nœud', a expliqué le premier auteur Can Knaut, un étudiant de la Kenneth C. Griffin Graduate School of Arts and Sciences du laboratoire de Lukin. 'Nous appelons cela l'entrelacement médié par photon.'

Au cours des dernières années, les chercheurs ont loué de la fibre optique à une entreprise de Boston pour réaliser leurs expériences, superposant leur réseau de démonstration à la fibre existante pour indiquer que la création d'un internet quantique avec des lignes de réseau similaires serait possible.

'Montrer que les nœuds de réseau quantique peuvent être entrelacés dans l'environnement réel d'une zone urbaine très animée, est une étape importante vers la mise en réseau pratique entre les ordinateurs quantiques', a déclaré Lukin.

Un réseau quantique à deux nœuds n'est que le début. Les chercheurs travaillent avec diligence pour améliorer les performances de leur réseau en ajoutant des nœuds et en expérimentant davantage de protocoles de mise en réseau.

Journal information: Nature

Provided by Harvard University