L’équipe de recherche de Toshiba a battu un nouveau record pour les communications quantiques par fibre optique, grâce à une nouvelle technologie appelée stabilisation à double bande.

AUTEUR

DAPHNE LEPRINCE-RINGUET

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POSTÉ LE

11 juin 2021

SOURCE

ZDNet

Des chercheurs de Toshiba ont réussi à envoyer des informations quantiques sur des fibres optiques de 600 kilomètres de long, établissant ainsi un nouveau record de distance et ouvrant la voie à des réseaux quantiques à grande échelle qui pourraient être utilisés pour échanger des informations en toute sécurité entre des villes, voire des pays.

Travaillant depuis le laboratoire de R&D de la société à Cambridge, au Royaume-Uni, les scientifiques ont démontré qu’ils pouvaient transmettre des bits quantiques (ou qubits) sur des centaines de kilomètres de fibre optique sans brouiller les fragiles données quantiques encodées dans les particules, grâce à une nouvelle technologie qui stabilise les fluctuations environnementales se produisant dans la fibre.

Cela pourrait contribuer à la création d’un internet quantique de nouvelle génération qui, espèrent les scientifiques, couvrira un jour des distances mondiales.

L’internet quantique, qui prendra la forme d’un réseau mondial de dispositifs quantiques connectés par des liens de communication quantiques longue distance, devrait permettre des utilisations impossibles avec les applications web actuelles. Cela va de la génération de communications virtuellement inviolables à la création de grappes de dispositifs quantiques interconnectés qui, ensemble, pourraient dépasser la puissance de calcul des dispositifs classiques.

Mais pour communiquer, les dispositifs quantiques doivent envoyer et recevoir des qubits – de minuscules particules qui existent dans un état quantique spécial, mais extrêmement fragile. Trouver le meilleur moyen de transmettre des qubits sans qu’ils ne quittent leur état quantique a donné du fil à retordre aux scientifiques du monde entier pendant de nombreuses années.

L’une des approches consiste à envoyer des qubits dans les fibres optiques qui relient les dispositifs quantiques. Cette méthode a donné de bons résultats, mais elle est limitée à l’échelle : de petits changements dans l’environnement, tels que des fluctuations de température, provoquent l’expansion et la contraction des fibres et risquent de perturber les qubits.

C’est pourquoi, jusqu’à présent, les expériences sur les fibres optiques se sont limitées à une portée de quelques centaines de kilomètres, ce qui est loin d’être suffisant pour créer l’internet quantique mondial à grande échelle dont rêvent les scientifiques.

Pour faire face aux conditions instables à l’intérieur des fibres optiques, les chercheurs de Toshiba ont mis au point une nouvelle technique appelée « stabilisation à double bande ». Cette méthode consiste à envoyer deux signaux dans la fibre optique à des longueurs d’onde différentes. La première longueur d’onde est utilisée pour annuler les fluctuations rapides, tandis que la seconde, qui est à la même longueur d’onde que les qubits, est utilisée pour des ajustements plus fins de la phase.

En d’autres termes, les deux longueurs d’onde se combinent pour annuler les fluctuations de l’environnement à l’intérieur de la fibre en temps réel, ce qui, selon les chercheurs de Toshiba, a permis aux qubits de se déplacer en toute sécurité sur plus de 600 kilomètres.

L’équipe de la société a déjà utilisé cette technologie pour tester l’une des applications les plus connues des réseaux quantiques : le cryptage quantique.

Connu sous le nom de Quantum Key Distribution (NDLR : distribution de clés quantiques) (QKD), ce protocole s’appuie sur les réseaux quantiques pour créer des clés de sécurité impossibles à pirater, ce qui signifie que les utilisateurs peuvent échanger en toute sécurité des informations confidentielles, comme des relevés bancaires ou des dossiers médicaux, sur un canal de communication non fiable tel qu’Internet.

Lors d’une communication, le QKD fonctionne de la manière suivante : l’une des deux parties chiffre une donnée en codant la clé de cryptage sur des qubits et en envoyant ces qubits à l’autre personne grâce à un réseau quantique. En raison des lois de la mécanique quantique, il est toutefois impossible pour un espion d’intercepter les qubits sans laisser un signe d’écoute visible par les utilisateurs, qui peuvent alors prendre des mesures pour protéger les informations.

Contrairement à la cryptographie classique, la QKD ne repose donc pas sur la complexité mathématique de la résolution des clés de sécurité, mais s’appuie plutôt sur les lois de la physique. Cela signifie que même les ordinateurs les plus puissants seraient incapables de pirater les clés basées sur les qubits. Il est facile de comprendre pourquoi l’idée suscite l’intérêt d’acteurs de tous horizons, allant des institutions financières aux agences de renseignement.

La nouvelle technique de Toshiba visant à réduire les fluctuations dans les fibres optiques a permis aux chercheurs de réaliser le QKD sur une distance beaucoup plus grande que ce qui était possible auparavant. « C’est un résultat très enthousiasmant », a déclaré Mirko Pittaluga, chercheur scientifique chez Toshiba Europe. « Avec les nouvelles techniques que nous avons développées, de nouvelles extensions de la distance de communication pour le QKD sont encore possibles et nos solutions peuvent également être appliquées à d’autres protocoles et applications de communication quantique. »

En ce qui concerne la réalisation de QKD à l’aide de fibres optiques, la marque de 600 kilomètres de Toshiba est un record, qui, selon la société, permettra de créer des liaisons sécurisées entre des villes comme Londres, Paris, Bruxelles, Amsterdam et Dublin.

D’autres groupes de recherche, cependant, se sont concentrés sur des méthodes différentes pour transmettre les qubits, ce qui a permis au QKD de se produire sur des distances encore plus grandes. Les scientifiques chinois, par exemple, utilisent un mélange de transmissions par satellite communiquant avec des fibres optiques au sol, et ont récemment réussi à effectuer un QKD sur une distance totale de 4 600 kilomètres.

Chaque approche a ses avantages et ses inconvénients : l’utilisation de technologies satellitaires est plus coûteuse et pourrait être plus difficile à mettre à l’échelle. Mais une chose est sûre : des groupes de recherche au Royaume-Uni, en Chine et aux États-Unis expérimentent à un rythme soutenu pour que les réseaux quantiques deviennent une réalité.

Les recherches de Toshiba ont été partiellement financées par l’Union européenne, qui manifeste un vif intérêt pour le développement des communications quantiques. Dans le même temps, le dernier plan quinquennal de la Chine accorde également une place particulière aux réseaux quantiques, tandis que les États-Unis ont récemment publié un plan directeur présentant une démarche progressive menant à l’établissement d’un internet quantique mondial.