Relier deux ordinateurs quantiques entre eux revient à essayer de maintenir la flamme d’une bougie allumée posée sur le capot d’une voiture lancée à pleine vitesse sur l’autoroute : très compliqué. Contrairement à nos réseaux informatiques classiques, où l’information circule sous forme de bits, l’informatique quantique nécessite des qubits d’une extrême fragilité. Dès que la distance augmente, les qubits perdent leur état quantique (la décohérence), emportant avec eux toute possibilité de communication fiable. Auparavant, même lorsque deux ordinateurs quantiques étaient séparés de quelques kilomètres, il était très difficile de faire en sorte qu’ils restent reliés
C’est l’une des plus grandes contraintes de l’informatique quantique, que l’on se devra absolument de contourner si l’on souhaite réellement un jour bâtir l’internet quantique, le futur réseau qui reliera tous les ordinateurs quantiques entre eux. Le facteur distance est, pour le moment, un plafond technologique, mais des chercheurs américains ont trouvé un moyen d’y ouvrir une petite ouverture. Ils ont démontré, qu’en prolongeant fortement la durée de cohérence quantique, deux ordinateurs pourraient théoriquement rester intriqués et échanger de l’information sur plus de 2 000 kilomètres de fibre optique. Des travaux remarquables, qui ont fait l’objet d’une publication le 6 novembre dans la revue Nature Communications.
De quelques kilomètres à plus de 2 000 : un bond de géant pour le quantique
Pour comprendre l’ampleur de ce record, il est nécessaire de revenir sur l’un des principes fondamentaux de l’informatique quantique : la cohérence quantique. Lorsque l’on cherche à relier deux ordinateurs quantiques, on intrique des atomes (ou des qubits) : cela aboutit à la création d’un lien quantique profond entre eux, tel que l’état de l’un dépend instantanément de l’autre. C’est ce que l’on appelle l’intrication quantique. Le problème étant que cet état intriqué ne survit qu’un temps très court avant de perdre sa cohérence (décohérence). Or, plus cette durée de cohérence est longue, plus la distance de connexion entre les ordinateurs est grande.
Précédemment, cette cohérence ne durait que 0,1 milliseconde, un laps de temps bien trop court pour laisser l’intrication (et par conséquent l’information) parcourir de longues distances dans une fibre optique.. Dans cette nouvelle étude, l’équipe de Tian Zhong a réussi à prolonger cette mémoire quantique jusqu’à plus de 10 millisecondes, avec un maximum mesuré à 24 millisecondes.
Un petit gain de temps qui suffit, en théorie, à permettre à l’intrication de se propager sur plus de 2 000 kilomètres, voire jusqu’à 4 000 kilomètres dans des conditions idéales. Soit la distance qui sépare Chicago de la Colombie !
Comment ont-ils réussi à multiplier si efficacement le temps de cohérence ? En repensant la fabrication des cristaux servant de support aux atomes intriqués, qui constituent la mémoire des réseaux quantiques. Jusqu’à présent, toutes les autres équipes travaillant sur des dispositifs de mémoire quantique à base d’atomes de terres rares utilisaient des cristaux fabriqués par fusion à très haute température, puis taillés a posteriori. Cette méthode éprouvée, appelée Czochralski, donne des cristaux imparfaits, remplis de défauts microscopiques qui viennent perturber les états quantiques et leur transmission.
Une nouvelle technique de fabrication
L’équipe de Tian Zhong a préféré assembler le cristal couche par couche au niveau atomique grâce à une technique appelée épitaxie par jet moléculaire (MBE), plutôt que de partir d’un bloc de matière déjà formé, à la manière de l’impression 3D, comme l’explique l’équipe. Cette méthode leur a permis de contrôler plus précisément la position des atomes au sein du cristal et d’éviter que celui-ci ne comporte trop de défaut. Il est donc exceptionnelement plus pur et procure aux atomes intriqués un environnement plus sain pour transmettre l’information.
Même si l’on ne peut s’attendre à ce qu’un ordinateur quantique situé à New-York et l’autre à Chicago soient connectés dans les prochains mois, il est certain que Tian Zhong et ses collaborateurs sont sur le bon chemin. Leur prochain objectif : tester cette technologie à petite échelle dans leur laboratoire, en reliant des qubits répartis dans plusieurs réfrigérateurs cryogéniques à l’aide de 1 000 kilomètres de câble enroulé. Cette phase leur permettra de simuler des longues distances sans nécessiter d’infrastructures extérieures et de valider la viabilité de la technique MBE. Sans cette démonstration, aucune montée en échelle ne serait scientifiquement justifiable, et c’est l’une des conditions sine qua non pour qu’un jour, nous puissions espérer bâtir les premières fondations de l’internet quantique.
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