Vers l’Internet Quantique

Le Web du Futur

a shelter-skelter spiral of colorful light trails

Aujourd’hui, grâce à Internet, un email peut être envoyé entre deux personnes bien plus rapidement qu’une lettre à la poste il y a quelques années ou encore il y a deux cents ans où il fallait utiliser un pigeon voyageur ou un transporteur à cheval.

De la même manière, l’informatique et la cryptographie quantique représentent des avancées technologiques majeures, aussi décisives que la mise au point des rayons laser.

Une des raisons pour lesquelles nous ne disposons pas encore d’un Internet quantique réside dans le fait que nous ne pouvons pas envoyer de l’information quantique sur de longues distances.

Mais aujourd’hui, les équipes de chercheurs sont capables de téléporter de l’information quantique tout en continuant à battre des records en matière de distance.

Téléportation de l’information : un nouveau record de distance

En 2014, pour la première fois au monde, l’équipe de l’Université de Genève, dirigée par le physicien Nicolas Gisin, a réussi la performance de téléporter un photon à l’état quantique sur plus de 25 km et ce, de manière instantanée. La particule s’est retrouvée dans un cristal, par l’intermédiaire d’un câble en fibre optique.

Le précédent record dans ce domaine avait établi le déplacement instantané de l’état quantique d’un proton sur 6 kilomètres.

Aujourd’hui, des recherches menées par les Etats Unis et le Japon ont établi un nouveau record, un téléportant un photon à l’intérieur d’une fibre optique sur une distance de 102 Km (quatre fois donc supérieure au record précédent établi en Suisse).

Cette expérience fantastique nous rapproche un peu plus de la téléportation , démontrant ainsi que le transfert parfaitement d’information est de mieux en mieux maitrisé et que « l’envoi d’email » sera bientôt remplacé par « l’envoi de photons d’information ».

Ce record de distance fixe un nouveau palier dans l’univers de la téléportation quantique et ouvre également la voie pour un futur réseau quantique global, destiné aux communications sécurisées par satellite.

Toutes les informations contenues par un photon se trouvant instantanément sur un autre photon distant, le procédé rendrait Internet non seulement ultra rapide (les informations se répétant et circulant à une vitesse…infinie) mais aussi absolument sûr, résistant à tout type de piratage.

Comment fonctionne un Internet Quantique ?

La téléportation quantique, ne concerne pas la matière (ex. téléportation à la Star Trek) mais le transfert d’informations, des « états quantiques », d’un endroit à l’autre sans que l’information ne traverse l’espace entre eux de quelque manière que ce soit.

Du « bit » au « qubit »

Notre Internet dispose d’une infrastructure physique et notre ordinateur envoie sur Internet des messages sous la forme d’une suite d’octets, chaque octet étant lui-même une suite de bits (des 0 et des 1). Ces deux états binaires, 0 et 1, sont transportés par des milliers de kilomètres de câbles qui sillonnent les océans ou par des fibres optiques, d’un ordinateur à un autre et circulant sur Internet par le biais de routeurs.

Avec l’informatique quantique, notre ordinateur quantique envoie sur le réseau des « quantum bits » ou des « bits quantiques » (« qubit ») au lieu de bit.

Le qubit correspond en réalité à l’information véhiculée par un système se trouvant dans un état superposé. A titre d’exemple, si je souhaite communiquer par Internet quantique avec un de mes amis, je vais générer un photon dans un état superposé et l’envoyer à mon ami.

Mon ami reçoit le photon porteur d’information et de cette manière on peut communiquer tous les deux.

Ce sont donc ces photons qui encodent et transportent des informations cryptées et joueront le rôle des paquets de « bits »

L’ordinateur quantique

L’état superposé de ces photons repose sur l’observation d’une mécanique selon laquelle une particule peut avoir plusieurs états différents.

Appliquée à l’informatique, cette mécanique amplifie considérablement la capacité des signaux qui transportent l’information. Au lieu de n’avoir que deux valeurs, comme c’est le cas actuellement pour les « bits », faits de 0 ou de 1, les « qubits » prennent une multitude de valeurs.

L’ordinateur quantique utilisera donc le concept de superposition quantique par l’intermédiaire du qubit ou « bit quantique » qui peut valoir « 0 » et « 1 » en même temps (vous souvenez-vous du Schrödinger et de son chat « mort ou vivant » ?).

A titre indicatif, un photon à 250 états quantiques pourrait contenir plus d’informations qu’il y a d’atomes dans l’univers.

Actuellement, les technologies permettent d’envoyer un message quantique entre A et B, avec une seule longueur de câble en fibre optique. En revanche, rediriger le message vers un destinataire C, D ou E pose des problèmes puisque le procédé altère le message.

Par exemple, le web quantique du Los Alamos National Labs – laboratoire du Département de l’Énergie des États-Unis, ne fonctionne pas comme un réseau ordinateur vers ordinateur comme l’internet classique. L’internet quantique se présente sous la forme d’un serveur central qui connecte tous les nœuds dans un réseau, mais aucune autre connexion entre les nœuds.

Des photons remplis d’informations

Ce résultat est obtenu grâce au phénomène d’intrication quantique – connu sous le nom d’intrication quantique et qui permet à deux objets quantiques (placés dans un « état intriqué ») de partager le même état quantique. Les deux particules possèdent une corrélation malgré le fait qu’elles ne se touchent pas et ne se transmettent aucune information.

Cela signifie que si vous influencez un objet, vous influez également sur l’autre et ce, malgré des grandes distances spatiales.

En intriquant deux photons, les physiciens ont démontré la capacité de transmettre de l’information quantique d’un endroit à un autre en les encodant dans ces « états quantiques ».

On parle bien ici d’« état quantique » et non du photon à part entière.  L’«état » du photon agit comme un renseignement qui peut être téléporté sur de grandes distances en utilisant la fibre optique et qui est capable de préserver des informations, même sous des conditions extrêmes, notamment lors d’un voyage à travers la lumière qui se termine dans de la matière de type cristal.

Félix Bussières, qui travaille dans l’équipe de Nicolas Gisin a expliqué : « Il apparaît que l’état quantique de deux éléments de lumière, ces deux photons intriqués comme s’ils étaient deux siamois, est un canal qui autorise la téléportation de lumière vers la matière. »

Une sécurité parfaite des échanges de données

La sécurité des communications n’est pas un problème nouveau. L’internet que nous utilisons actuellement est très rapide mais peu sécurisé. Et si la sécurité de l’Internet passerait par la cryptographie quantique ?

Considérée comme le moyen le plus puissant de sécuriser les systèmes de communication, la cryptographie quantique fait, qu’à la lecture du message transmis par photons, ce message est immédiatement modifié. Il est ainsi possible de transmettre une clé de chiffrement secrète, aléatoire, entre deux systèmes distants, en assurant sa sécurisation.

« Un internet quantique serait plus lent mais totalement sûr », précise le professeur Alex Lvovsky lors de la conférence internationale sur l’informatique quantique à Moscou.

La technologie intéresse beaucoup les banques, l’armée et d’autres organisations qui sont en recherche perpétuelle de sécurité parfaite dans la transmission de leurs communications.

« On pense que d’ici 25 ans, tous les systèmes asymétriques vont tomber. D’ici là, il faudra donc trouver une solution alternative. Ce sera un changement très important », explique Renaud Lifchitz, un chercheur en sécurité.

Mais avant qu’il soit dédiée au commun des mortels, l’Internet quantique sera d’abord à la disposition des Etats, des militaires, de la science et aux grosses entreprises, comme les banques, dont l’activité et la survie reposent sur la sécurité des données sensibles. Ou, il sera mis à disposition du public, mais pas entièrement (ex. utiliser l’Internet classique et passer sur l’internet quantique quand nous avons besoin de transmettre des données sensibles comme un numéro de carte de crédit).

Appliquée à Internet, la cryptographie quantique a pourtant une limite de taille. Il n’est en effet possible d’assurer l’intégrité de la clé transmise que d’un point A à un point B, puisque le fait de relayer un message vers un point C obligerait à lire ce message pour le copier, et donc à le modifier.

Physiquement, la contrainte oblige aussi à limiter les transmissions à quelques dizaines de kilomètres.

Cette hypothèse attirante n’est donc pas prête pour tout de suite : les chercheurs doivent utiliser des détecteurs ultra-sensibles, capables de mesurer l’énergie d’un seul photon auquel on peut ajouter que « l’effet quantique » ne se produit qu’à des températures très basses, quasiment interstellaires (-273° C).

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