Une avancée récente dans la technologie quantique pourrait ouvrir la voie à un Internet quantique à l’échelle mondiale, élargissant considérablement la portée à laquelle les ordinateurs quantiques peuvent communiquer entre eux. Auparavant limités par la distance, les ordinateurs quantiques pourraient bientôt se connecter à travers les continents grâce à une nouvelle méthode de construction de composants clés.
La barrière de la distance dans la communication quantique
Les ordinateurs quantiques possèdent des capacités de traitement et une vitesse remarquables, mais l’utilisation efficace de cette puissance nécessite un réseau robuste et interconnecté. Actuellement, un obstacle majeur réside dans la difficulté de relier ces ordinateurs sur de longues distances. La distance maximale de communication par câble à fibre optique était auparavant limitée à quelques kilomètres seulement. Par exemple, même avec des câbles de fibre optique les reliant, un ordinateur quantique du campus South Side de l’Université de Chicago n’a pas pu établir de connexion avec celui situé dans la Willis Tower du centre-ville de Chicago.
Une augmentation de 200x de la plage de connexion
La recherche publiée aujourd’hui dans Nature Communications par le professeur adjoint Tian Zhong de la Pritzker School of Molecular Engineering de l’Université de Chicago (UChicago PME) propose une solution à cette limitation. La méthode de Zhong étend théoriquement la distance de connexion maximale à 2 000 kilomètres (1 243 miles). Ce changement signifie que le même ordinateur quantique d’UChicago, auparavant incapable d’atteindre la Willis Tower, pourrait désormais se connecter et communiquer avec son homologue de Salt Lake City, dans l’Utah.
“Pour la première fois, la technologie permettant de construire un Internet quantique à l’échelle mondiale est à notre portée”, a déclaré Zhong, qui a récemment reçu le prestigieux prix Sturge pour son travail.
La science derrière la percée
Relier des ordinateurs quantiques implique d’établir un intrication quantique entre les atomes transmis via un câble à fibre optique. Plus ces atomes intriqués maintiennent longtemps leur cohérence quantique – essentiellement leur capacité à maintenir un état quantique – plus la distance entre les ordinateurs pouvant être reliés est grande.
Zhong et son équipe ont considérablement amélioré les temps de cohérence quantique en améliorant la fabrication des atomes d’erbium, un élément crucial dans la création de l’intrication. Ils ont augmenté les temps de cohérence de 0,1 millisecondes à plus de 10 millisecondes, une instance atteignant 24 millisecondes. Cette amélioration permettrait théoriquement aux ordinateurs quantiques de se connecter sur des distances de 4 000 kilomètres, soit à peu près la distance entre UChicago PME et Ocaña, en Colombie.
Pas de nouveaux matériaux, mais une nouvelle méthode
L’innovation concernait les nouveaux matériaux, mais plutôt la manière dont ces matériaux sont construits. Les chercheurs ont utilisé une technique appelée épitaxie par faisceau moléculaire (MBE) au lieu de la méthode Czochralski traditionnelle pour créer les cristaux dopés aux terres rares nécessaires à l’intrication quantique.
La méthode Czochralski, a expliqué Zhong, est comme « un creuset » où les ingrédients sont mélangés et fondus à des températures extrêmement élevées (plus de 2 000 degrés Celsius) avant de refroidir lentement pour former un cristal. Ces cristaux sont ensuite chimiquement « sculptés » en composants informatiques. En revanche, le MBE s’apparente davantage à l’impression 3D, construisant le cristal couche par couche.
“Nous commençons avec rien, puis assemblons cet appareil atome par atome”, a déclaré Zhong. “La qualité ou la pureté de ce matériau est si élevée que les propriétés de cohérence quantique de ces atomes deviennent superbes.”
Adaptation des techniques existantes
Bien que le MBE soit une technique connue, elle n’a jamais été appliquée pour créer ce type spécifique de matériau dopé aux terres rares. Zhong et son équipe ont collaboré avec le professeur adjoint Shuolong Yang de l’UChicago PME, expert en synthèse de matériaux, pour adapter le MBE à cet effet.
Validation par des experts
Cette avancée a suscité les éloges des plus grands experts du domaine. “L’approche démontrée dans cet article est très innovante”, a déclaré le professeur Hugues de Riedmatten de l’Institut des sciences photoniques. “Cela montre qu’une approche de nanofabrication ascendante et bien contrôlée peut conduire à la réalisation de qubits d’ions de terres rares uniques dotés d’excellentes propriétés optiques et de cohérence de spin.”
Quelle est la prochaine étape ?
Zhong et son équipe se concentrent désormais sur la question de savoir si les temps de cohérence étendus permettent de réelles connexions quantiques à longue distance. Leur prochaine étape consiste à relier deux qubits, chacun logé dans des réfrigérateurs à dilution séparés au sein du laboratoire de Zhong, via 1 000 kilomètres de câble enroulé. Ce test initial, bien qu’il ne s’agisse pas de l’étape finale, s’avérera crucial pour valider la technologie et rapprocher la vision d’un Internet quantique mondial de la réalité.
Cette avancée représente une étape importante vers un avenir dans lequel les ordinateurs quantiques pourront être interconnectés de manière transparente, libérant ainsi une puissance de calcul sans précédent et stimulant l’innovation dans de nombreux domaines.
