Nous vivrons peut-être bientôt dans des villes quantiques, des villes où l’ensemble des institutions, des centres de données et des centres de télécommunication seraient connectés par un Internet quantique. Une équipe de chercheurs français a récemment simulé un réseau quantique plus grand que la ville de Paris. Leurs travaux suggèrent que les technologies existantes pourraient nous permettre de concrétiser cette idée plus tôt que l’on ne le pense.
Dans un avenir plus ou moins proche, les technologies quantiques feront partie de notre quotidien. La physique quantique est déjà à la base de nombreuses technologies modernes, telles que le laser, l’IRM, les semi-conducteurs ou encore certaines techniques de chiffrement.
« Les réseaux photoniques ciblant des applications spécifiques, comme la distribution quantique de clés (QKD), sont déjà en cours de déploiement aujourd’hui, tandis que l’Internet quantique, dans sa version complète, mettra encore quelques années à se concrétiser », précisent les chercheurs.
Dans tous les cas, les réseaux de communication quantiques promettent un large éventail d’applications dès lors que l’on sera capable de générer, stocker et manipuler des informations quantiques. À terme, les télécommunications et les institutions qui traitent de grandes quantités de données pourraient être connectées dans un réseau reposant sur des appareils quantiques (et non sur des modems et des routeurs) ; un tel réseau offrirait un moyen hautement sécurisé de partager des informations.
Un Qonnecteur, relié à des Qlients par des fibres optiques
« Un réseau d’information quantique à grande échelle, où l’intrication peut être acheminée efficacement entre toutes les paires d’utilisateurs sur de longues distances de manière modulaire, ouvrira la voie à la démonstration de nombreux protocoles présentant un avantage quantique en termes de sécurité, d’efficacité ou de calcul », soulignent les chercheurs dans leur article de prépublication.
Les technologies nécessaires à la réalisation d’un tel réseau font l’objet de nombreuses recherches dans le monde entier, mais de nombreux défis restent encore à relever avant qu’un réseau quantique à grande échelle ne voie le jour.
Il apparaît toutefois que plusieurs applications de réseaux quantiques sont en fait accessibles, même avec la technologie actuelle (ou celle qui sera développée à court terme). C’est du moins ce qu’ont tenté de montrer Eleni Diamanti, directrice de recherche au laboratoire d’informatique de Sorbonne Université, et ses collègues. Pour ce faire, ils ont créé une simulation informatique pour évaluer si la technologie existante — comme les fibres optiques et les dispositifs qui génèrent de la lumière codée avec des informations quantiques — pourrait transformer Paris en une ville quantique fonctionnelle.
« À l’aide de NetSquid, un outil de simulation de réseau quantique basé sur des événements discrets, nous évaluons les performances de plusieurs protocoles de réseau quantique impliquant deux utilisateurs ou plus dans diverses configurations en termes de topologie, de matériel et de choix de confiance », notent-ils. Ils ont supposé par exemple que tous les nœuds du réseau possédaient les capacités d’un ordinateur quantique complet, ou même que chaque utilisateur accédant au réseau soit capable de contrôler autant de qubits que nécessaire et ait accès à un temps de stockage quantique illimité.
La ville quantique ainsi simulée se compose de deux types de nœuds : un Qonnecteur, un hub capable de générer et de partager un enchevêtrement bi- ou multipartite avec les utilisateurs par le biais de canaux quantiques ; et des Qlients, des utilisateurs aux capacités plus limitées, qui peuvent générer, manipuler et mesurer des photons uniques (ils seraient connectés au hub par des fibres optiques classiques). Le Qlient le plus proche du hub était situé à un mètre de distance, tandis que le plus éloigné était à 31 kilomètres.
Des fonctionnalités « à portée de main »
L’équipe a utilisé cette configuration pour simuler plusieurs façons dont le Qonnector pourrait partager des informations chiffrées quantiques avec un seul Qlient à la fois, ou avec plusieurs simultanément.
Pour chaque simulation, les chercheurs ont défini le nombre de signaux pouvant être transmis simultanément par les fibres et leur fréquence ; ils ont également simulé la manière dont les Qlients pourraient utiliser l’Internet quantique pour faire fonctionner à distance un puissant ordinateur quantique si celui-ci était ajouté au réseau. Actuellement, il est possible d’accéder à certains ordinateurs quantiques via le cloud, mais pas encore via les fibres optiques.
Il est avéré que les qubits sont très sensibles aux perturbations de leur environnement — la moindre interférence provoquant l’effondrement de la superposition quantique. La simulation d’un « Paris quantique » a révélé toutefois que ces difficultés ne rendent pas systématiquement inutiles les sources existantes de signaux et de communications quantiques.
La communication avec les Qlients les plus éloignés et les tentatives de partage de codes longs et chiffrés avec plus de trois Qlients présentaient des taux d’erreur inacceptables. En revanche, certaines procédures de partage d’informations complexes et chiffrées entre un Qonnecteur et un seul Qlient, de même que des procédures visant à faire fonctionner des ordinateurs quantiques à distance, ont relativement bien fonctionné.
En d’autres termes, la mise en œuvre d’un réseau quantique métropolitain ne requiert pas des technologies si futuristes que cela.
« Nos résultats montrent que les fonctionnalités pratiques des réseaux quantiques sont à portée de main aujourd’hui et peuvent préparer le terrain pour d’autres applications lorsque des technologies plus avancées seront disponibles », concluent les chercheurs.
À plus long terme, les réseaux quantiques métropolitains tels que celui-ci pourraient même être reliés entre eux à l’aide de répéteurs quantiques ou de liaisons par satellite, afin de créer un réseau de communication quantique à plus grande échelle, que les chercheurs nomment Qloud.
Certains experts notent cependant que la transformation de villes plus grandes que Paris en villes quantiques nécessitera de développer de nouveaux dispositifs tels que des mémoires quantiques pour le stockage des informations et des répéteurs quantiques pour amplifier les signaux faibles.
Source : R. Yehia et al., arXiv
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