Transfert quantique en appuyant sur un bouton

La transmission de données est l'épine dorsale de la société de l'information moderne, à grande comme à petite échelle. Sur Internet, des données sont échangées, le plus souvent via des c?bles en fibre optique, entre des ordinateurs du monde entier. Au sein d'un même ordinateur, des informations doivent être envoyées en permanence entre différents processeurs. Pour les nouvelles technologies de l'information quantique en cours de développement, un échange de données fiable est également d'une grande importance, mais aussi extrêmement difficile. A l'ETH Zurich, des physiciens dirigés par Andreas Wallraff du laboratoire de physique des solides ont réussi à transmettre sur commande et avec une grande qualité des informations quantiques entre deux bits quantiques distants d'à peine un mètre. Leurs résultats paraissent cette semaine dans la revue spécialisée page externeNature.

Bits quantiques volants

La particularité des technologies de l'information quantique - dont font partie par exemple les ordinateurs quantiques et le cryptage quantique - réside dans l'utilisation de bits quantiques ou "qubits" comme élément d'information élémentaire. Contrairement aux bits classiques, les qubits peuvent non seulement avoir la valeur 0 ou 1, mais aussi prendre des états dits de superposition. Il en résulte d'une part la possibilité de construire des ordinateurs extrêmement puissants, capables de calculer avec ces états de superposition de manière beaucoup plus efficace et rapide que les ordinateurs classiques.

D'autre part, ces états sont également très sensibles et ne peuvent pas être transmis sans autre avec des méthodes traditionnelles. En effet, il faut d'abord transformer l'état d'un qubit stationnaire en un qubit dit "volant", par exemple en un photon, puis le retransformer en un autre qubit stationnaire. Il y a quelques années, des chercheurs ont pu transférer de cette manière l'état quantique d'un atome. Wallraff et ses collaborateurs ont maintenant réussi pour la première fois à réaliser un tel transfert également d'un qubit solide supraconducteur à un autre qui se trouvait à une certaine distance.

Pour ce faire, les physiciens ont relié deux qubits supraconducteurs à l'aide d'un c?ble coaxial, comme ceux utilisés pour les connexions d'antennes. L'état quantique du premier qubit, défini par le nombre de paires d'électrons supraconducteurs qu'il contient (appelées paires de Cooper), a d'abord été transmis à un photon micro-ondes d'un résonateur à l'aide d'impulsions micro-ondes très précisément contr?lées. De ce résonateur, le photon pouvait ensuite s'envoler via le c?ble coaxial vers un deuxième résonateur, dans lequel son état quantique était à nouveau transmis au deuxième qubit par des impulsions micro-ondes. Des expériences similaires ont également été menées récemment à l'université de Yale.

Déterministe plut?t que probabiliste

"L'important dans notre méthode, c'est que la transmission de l'état quantique fonctionne de manière déterministe, c'est-à-dire en appuyant sur un bouton", souligne Philipp Kurpiers, qui travaille comme doctorant dans le laboratoire de Wallraff. Dans certaines expériences précédentes, il a certes été possible d'obtenir une transmission d'états quantiques, mais celle-ci était probabiliste : parfois elle fonctionnait, mais la plupart du temps elle échouait. Une transmission réussie pouvait par exemple être indiquée par un "photon d'annonce". Si la transmission n'avait pas fonctionné, il suffisait de réessayer. Le débit de données quantique effectif s'en trouvait naturellement fortement réduit. Pour les applications pratiques, les méthodes déterministes, telles qu'elles viennent d'être démontrées à l'ETH, présentent donc un avantage.

"Notre taux de transmission pour les états quantiques est l'un des plus élevés jamais réalisés, et notre qualité de transmission est très bonne, avec 80%", explique Andreas Wallraff. Gr?ce à leur technique, les chercheurs peuvent également provoquer une intrication quantique entre les qubits, et ce plus de 50'000 fois par seconde. La procédure de transmission elle-même dure moins d'un millionième de seconde, de sorte que le taux de transmission peut encore être amélioré. L'intrication quantique crée un lien intime entre deux objets quantiques, même sur de grandes distances, qui est utilisé pour les techniques de cryptage ou la téléportation quantique.

Transmission quantique pour les ordinateurs quantiques

Pour la suite, les chercheurs vont essayer d'utiliser deux qubits à la fois comme émetteur et récepteur, ce qui permettrait par exemple un échange d'intrication entre les paires de qubits. Un tel processus est utile pour les ordinateurs quantiques de plus grande taille qui devraient être construits dans les années à venir. Jusqu'à présent, ceux-ci ne sont certes constitués que de quelques qubits, mais si l'on veut construire des ordinateurs plus grands, il suffira de quelques centaines de qubits pour que se pose la question de savoir comment les relier le plus efficacement possible afin d'exploiter au mieux les avantages d'un ordinateur quantique.

A l'instar des clusters d'ordinateurs individuels utilisés aujourd'hui, des modules d'ordinateurs quantiques pourraient être reliés entre eux à l'aide de la technique développée par Wallraff. La distance de transmission actuelle d'un mètre pourrait tout à fait être augmentée. Wallraff et ses collaborateurs ont récemment démontré qu'un c?ble extrêmement refroidi et donc supraconducteur pouvait transmettre des photons micro-ondes sur des distances de plusieurs dizaines de mètres avec peu de pertes. Le c?blage d'un centre de calcul quantique serait donc tout à fait réalisable de cette manière.