Les ordinateurs quantiques sont encore un rêve, mais l'ère des communications quantiques est arrivée. Une nouvelle expérience, réalisée à Paris, a montré pour la première fois que la communication quantique est supérieure aux méthodes classiques de transmission d'informations.
«Nous avons été les premiers à démontrer une supériorité quantique dans la communication des informations dont deux parties ont besoin pour accomplir une tâche», déclare Eleni Diamanti, ingénieur électricien à l'Université de la Sorbonne et co-auteur de l'étude.
Les machines quantiques - qui utilisent les propriétés quantiques de la matière pour coder des informations - devraient révolutionner l'informatique. Mais les progrès dans ce domaine ont été extrêmement lents. Alors que les ingénieurs travaillent à la création d'ordinateurs quantiques rudimentaires, les théoriciens ont fait face à un obstacle plus fondamental: ils n'ont pas réussi à prouver que les ordinateurs classiques ne peuvent jamais accomplir les tâches pour lesquelles les ordinateurs quantiques sont conçus. L'été dernier, par exemple, un gars du Texas a prouvé qu'un problème qui pendant longtemps a été considéré comme résoluble uniquement sur un ordinateur quantique peut être rapidement résolu sur un ordinateur classique.
Bienvenue à l'ère quantique
Cependant, dans le domaine des communications (et non de l'informatique), les bénéfices de l'approche quantique peuvent être confirmés. Il y a plus de dix ans, les scientifiques ont prouvé que, du moins en théorie, la communication quantique est supérieure aux moyens classiques d'envoyer des messages pour des tâches spécifiques.
«Les gens étaient principalement engagés dans des tâches informatiques. L'un des grands avantages est que dans le cas des tâches de communication, les avantages sont démontrables."
En 2004, Jordanis Kerenidis, co-auteur des travaux de Diamanti, et deux autres scientifiques ont présenté un scénario dans lequel une personne devait envoyer des informations à une autre afin qu'une deuxième personne puisse répondre à une question précise. Les chercheurs ont prouvé qu'un circuit quantique peut accomplir une tâche en transférant exponentiellement moins d'informations qu'un système classique. Mais le circuit quantique qu'ils ont présenté était purement théorique - et bien au-delà de la technologie de l'époque.
Vidéo promotionelle:
«Nous avons pu confirmer cet avantage quantique, mais il était extrêmement difficile de mettre en œuvre le protocole quantique», explique Kerenidis.
Le nouveau travail est une version modifiée du script imaginé par Kerenidis et ses collègues. Comme d'habitude, passons à deux sujets, Alice et Bob. Alice a un jeu de balles numérotées. Chaque balle est de couleur rouge ou bleue au hasard. Bob veut savoir si une paire de balles en particulier, choisie au hasard, a la même couleur ou est différente. Alice veut envoyer à Bob le moins d'informations possible, tout en s'assurant que Bob puisse répondre à sa question.
Ce problème est appelé "problème de correspondance de modèle". C'est essentiel pour la cryptographie et les monnaies numériques, où les utilisateurs souhaitent souvent échanger des informations sans divulguer tout ce qu'ils savent. Cela démontre également parfaitement les avantages de la communication quantique.
Vous ne pouvez pas simplement dire: je veux vous envoyer un film ou quelque chose de la taille d'un gigaoctet et l'encoder dans un état quantique, dans l'espoir de trouver un avantage quantique, déclare Thomas Vidick, informaticien au California Institute of Technology. "Nous devons envisager des tâches plus subtiles."
Pour la solution classique du problème d'appariement, Alice doit envoyer à Bob une quantité d'informations proportionnelle à la racine carrée du nombre de boules. Mais la nature inhabituelle des informations quantiques rend possible une solution plus efficace.
Dans le circuit de laboratoire utilisé dans le nouveau travail, Alice et Bob communiquent à l'aide d'impulsions laser. Chaque impulsion représente une balle. Les impulsions passent à travers un séparateur de faisceau, qui envoie la moitié de chaque impulsion à Alice et Bob. Lorsque l'impulsion atteint Alice, elle peut décaler la phase de l'impulsion laser pour encoder des informations sur chaque boule - en fonction de sa couleur, rouge ou bleue.
Pendant ce temps, Bob encode des informations sur les paires de balles qui l'intéressent dans sa moitié des impulsions laser. Ensuite, les impulsions convergent dans un autre séparateur de faisceau, où elles interfèrent les unes avec les autres. Le motif d'interférence produit par les impulsions reflète les différences dans la façon dont les phases de chaque impulsion ont été décalées. Bob peut lire le motif d'interférence sur le détecteur de photons le plus proche.
Jusqu'au moment où Bob "lit" le message laser d'Alice, le message quantique d'Alice est capable de répondre à n'importe quelle question sur n'importe quelle paire. Mais le processus de lecture du message quantique le détruit et Bob ne reçoit des informations que sur une seule paire de balles.
Cette propriété des informations quantiques - qu'elles peuvent être lues de différentes manières, mais finalement une seule la lira - réduit considérablement la quantité d'informations qui peuvent être transmises pour résoudre le problème de correspondance d'échantillons. Si Alice a besoin d'envoyer 100 bits classiques à Bob pour qu'il puisse répondre à sa question, elle peut faire la même tâche avec environ 10 qubits, ou bits quantiques.
C'est la preuve de principe dont vous avez besoin pour créer un véritable réseau quantique, déclare Graham Smith, physicien au JILA à Boulder, Colorado.
La nouvelle expérience est un triomphe clair sur les méthodes classiques. Les chercheurs ont commencé l'expérience en sachant exactement combien d'informations devaient être transmises de manière classique pour résoudre le problème. Ensuite, ils ont démontré de manière convaincante que les outils quantiques peuvent le résoudre de manière plus compacte.
Ce résultat offre également une voie alternative vers un objectif de longue date en informatique: prouver que les ordinateurs quantiques sont supérieurs aux ordinateurs classiques.
Ilya Khel
