La téléportation quantique

Cette technique a été réalisée entre deux utilisateurs en faisant appel à un intermédiaire. Ce résultat ouvre la porte à des communications quantiques totalement sécurisées à grande distance. Une étape importante dans la conception d’un internet quantique

Présenté comme le futur des réseaux de télécommunication, l’internet quantique offre de nombreux avantages, notamment en matière de sécurité. Grâce à un processus de chiffrement reposant sur les propriétés quantiques des porteurs de l’information (typiquement, des photons) et une infrastructure adaptée, il est alors impossible pour une tierce personne d’intercepter et déchiffrer un message. Mais la mise en œuvre de l’internet quantique est encore un défi technique immense, dont certains aspects sont encore à l’étude en laboratoire. Par exemple, lorsque deux utilisateurs sont très loin l’un de l’autre, le problème majeur est la perte des photons sur le trajet. Jusqu’à présent, les systèmes proposés pour compenser cette perte de signal introduisaient des failles de sécurité. La téléportation quantique offre une solution fiable, mais seules des versions simplifiées et limitées avaient été mises en œuvre. Or l’équipe de Ronald Hanson, de l’université de Delft, vient de mettre au point un dispositif de téléportation quantique qui fonctionnerait pour des utilisateurs éloignés l’un de l’autre.

Dans les ordinateurs quantiques et l’internet de demain, l’unité d’information est le qubit, une forme généralisée du bit classique qui prend la valeur « 0 » ou « 1 ». Le qubit a intuitivement davantage de degrés de liberté car on autorise une superposition quantique de l’état « 0 » et de l’état « 1 ». Ce qubit est donc très utile pour réaliser des calculs quantiques dans les ordinateurs. Par ailleurs, dans la transmission de messages, il est impossible d’extraire de l’information d’un qubit, c’est-à-dire de le copier, sans le modifier. La cryptographie quantique utilise à son avantage cette propriété, car il est alors assez facile de savoir si une tierce personne a intercepté la clé de chiffrement portée par les qubits que s’envoient deux interlocuteurs (Alice et Bob). Si ces deux interlocuteurs constatent des anomalies dans les qubits échangés, ils en déduisent que leur clé a été lue. Ils en réémettent alors une autre, jusqu’à être sûrs qu’il n’y a pas eu d’intrusion et ils peuvent alors chiffrer leurs messages avec cette nouvelle clé.

Cet avantage est aussi une fragilité : les perturbations de l’environnement, comme la perte du photon dans la fibre optique (ce qui correspond à une atténuation de signal) sont équivalentes, du point de vue d’Alice et Bob, à la preuve qu’une tierce personne a cherché à lire leur message. Cette fragilité impose des contraintes sévères sur les applications technologiques au risque de perdre tout l’intérêt du système quantique ou de créer des failles de sécurité. Par exemple, pour transmettre un message à Bob, Alice doit envoyer des qubits sous la forme de photons au travers d’une fibre optique. Le problème de ce support est que le signal s’atténue assez vite et se perd totalement si la distance entre Alice et Bob est, typiquement, supérieure à une centaine de kilomètres. Dans un système de communication classique par fibres optiques, la solution consiste à installer des répéteurs sur le trajet de la fibre. Un répéteur reçoit un signal affaibli de l’expéditeur, le mesure, le copie et le réémet de façon amplifiée vers le destinataire. On peut ajouter autant de répéteurs que nécessaire sur le chemin.

la mécanique quantique offre une solution grâce au phénomène d’intrication. Deux particules sont dites intriquées lorsque leurs propriétés sont plus fortement corrélées que ne le permet la physique classique. « Concrètement, explique Marc-Olivier Renou, de l’institut des sciences photoniques, à Barcelone, ces corrélations ne peuvent pas s’expliquer par un transfert d’information qui serait porté par des porteurs d’information se déplaçant de proche en proche à vitesse finie. Quelle que soit la distance entre les deux particules, celles-ci doivent être interprétées comme un unique système. » Cela se traduit par le fait qu’une mesure menée sur une des particules se manifeste instantanément sur les deux particules même si elles sont très éloignées l’une de l’autre. On peut alors mettre en place un protocole de téléportation quantique. Celui-ci opère en deux temps. Dans la première étape, sujette à des pertes dans les fibres, on distribue une paire intriquée entre Alice et Bob. Dans la seconde étape, Alice prépare un qubit qui porte l’information utile qu’elle veut transmettre à Bob. Elle réalise alors une mesure combinée de ce qubit d’information et de son qubit intriqué avec celui de Bob. Le résultat de cette opération purement quantique est alors que l’information disparaît du côté d’Alice et se retrouve chez Bob. Cette seconde étape n’est pas sujette aux pertes quantiques.

En 1997, l’équipe d’Anton Zeilinger, de l’université d’Innsbruck, a réalisé cette version de la téléportation quantique dite « entre deux nœuds adjacents », soit directement entre Alice et Bob, alimentés directement par une source de photons intriqués. De nombreuses équipes ont réalisé des variantes de cette expérience. Notamment, en 2007, l’équipe de Nicolas Gisin, de l’université de Genève, a mis en œuvre ce protocole sur une grande distance avec des photons infrarouges (les fibres ont un minimum de perte pour ces longueurs d’onde) dans le réseau de fibres optiques de Swisscom. L’équipe a ainsi démontré que l’idée n’est pas totalement infaisable.

Dans l’expérience de l’équipe de Ronald Hanson, les qubits correspondent à des spins dans des cristaux (l’un d’eux est visualisé ici sous un microscopique otique). Les connexions en or à leur surface permettent de contrôler les qubits.

Le dispositif avec téléporteur entre Alice et Bob décrit jusqu’à présent ne semble pas très intéressant, car il faut quand même faire voyager des photons dans la fibre pour mettre en place un téléporteur, étape qui souffre d’un risque de perte de photons. Et la procédure est bien plus lourde qu’un envoi direct des photons porteurs de l’information.

Mais si la distance entre Alice et Bob est très grande, la stratégie consiste à diviser la distance en deux segments ! Plaçons Charlie à mi-distance entre Alice et Bob, et équipons-les tous de systèmes de mémoires quantiques. Alice a une source qui émet des paires de photons intriqués et Bob détient une autre source. Chacun émet une paire de ces particules, garde un photon en mémoire et envoie l’autre à Charlie. Ce dernier reçoit donc un photon d’Alice et un photon de Bob. Charlie stocke les photons dans la mémoire quantique jusqu’à avoir les deux. C’est notamment utile si un photon est perdu sur une branche, disons entre Alice et Charlie ; il suffit alors à Alice de réémettre un photon intriqué, mais pas à Bob. La procédure gagne en temps car les photons ne parcourent chacun que la moitié de la distance totale et il faut deux fois moins de temps pour voir s’ils sont perdus.

Une fois que Charlie a les deux photons, il opère une mesure simultanée sur ces photons qui deviennent alors intriqués. Mais d’après les lois de la physique quantique, le photon qu’Alice a gardé devient à son tour intriqué avec le photon resté chez Bob (on parle en anglais d’entanglement swapping). L’état du qubit d’Alice est alors directement relié à celui de Bob. Ce « téléporteur » est alors prêt à transmettre de l’information.

Une des grandes difficultés techniques de la téléportation sur des nœuds non adjacents, c’est-à-dire avec Charlie comme intermédiaire, est la réalisation d’une mémoire quantique. Il faut en effet pouvoir stocker le photon sans le mesurer et déclencher sa restitution quand on en a besoin sans altérer son état. Or c’est justement grâce à des progrès dans ce domaine que l’équipe de Ronald Hanson a mis en place la procédure de téléportation quantique entre deux nœuds non adjacents. Un an plus tôt, l’équipe avait conçu un réseau quantique à trois nœuds, mais ses caractéristiques étaient insuffisantes pour opérer de façon fiable la téléportation quantique : la fidélité (la probabilité que l’état obtenu par Bob à la fin soit le même que l’état qu’Alice voulait envoyer) était insuffisante. Dans ce système, les qubits sont physiquement portés par le spin d’un défaut cristallin (spécifiquement un centre azote-lacune, noté NV) dans un diamant. À chaque nœud, les physiciens ont placé un qubit d’information et un qubit de mémoire (qui est porté lui par un atome de carbone adjacent au défaut). L’information est transmise d’un diamant à l’autre par des fibres optiques avec un protocole adapté à ce dispositif. L’équipe de Delft a alors optimisé les performances de son système, par exemple en protégeant la mémoire avec un champ magnétique pour éviter des interactions avec les atomes voisins. Les chercheurs ont ainsi doublé le nombre de qubits intriqués entre Alice et Bob, et obtenu un taux de fidélité de 71 % (une transmission classique a une limite maximale de 66 %, confirmant que la téléportation a bien opéré).

Ce nouveau résultat est une étape cruciale dans la transmission d’information à longue distance par un protocole de cryptographie quantique. Néanmoins, pour une application concrète, il faudra encore faire progresser les performances des différents composants. « Si l’on peut dire, le nerf de la guerre réside principalement dans l’amélioration des caractéristiques des mémoires quantiques, souligne Julien Laurat, professeur au laboratoire Kastler-Brossel de Sorbonne Université, à Paris, et spécialiste de ces systèmes. Il existe aujourd’hui plusieurs techniques pour concevoir des mémoires quantiques. Elles reposent sur des entités individuelles (un ion ou un centre NV) ou des ensembles d’éléments (ions ou atomes froids). L’enjeu est alors d’avoir un temps de mémoire assez long pour synchroniser les liens quantiques et une efficacité d’écriture et de lecture élevée pour stocker et restituer les photons avec des taux de succès élevés, ce qui nécessite d’avoir un couplage lumière-matière de bonne qualité. À cela s’ajoute la possibilité éventuelle de multiplexer ces mémoires, qui reste encore un défi expérimental. » Les résultats de l’équipe de Ronald Hanson, et d’autres, comme ceux de Julien Laurat et ses collègues sur des mémoires très efficaces à atomes froids, sont le signe d’une accélération des progrès dans ce domaine, laissant entrevoir de prochaines applications.

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