Un bond en avant quantique

Avez-vous déjà pensé à ce que font les grandes entreprises technologiques avec vos données personnelles ? Bien que nous chiffrions généralement nos données lorsque nous les envoyons via Internet, nous n'avons aucun moyen de savoir ce que le destinataire fait de nos données après déchiffrement. Il existe cependant une solution à ce dilemme : le Calcul Quantique Aveugle. Ici, vos données sont cryptées quantiquement, envoyées via un réseau de télécommunications à l'entreprise technologique, puis traitées sur un ordinateur quantique. Lorsque cela est mis en œuvre correctement, il est mathématiquement prouvé qu'il n'y a aucun moyen pour l'ordinateur quantique de connaître les détails de vos données. Vous seul pouvez déchiffrer les données. À l'échelle (très) réduite d'un laboratoire, le Calcul Quantique Aveugle a déjà été démontré, et des initiatives sont en cours pour le relier à l'Internet Quantique.

La ressource clé du Calcul Quantique Aveugle est la distribution de l'entrelacement quantique, par exemple la distribution d'une paire de photons entrelacés entre un émetteur et un récepteur. Ce qui se passe ensuite est vraiment étonnant : bien qu'une mesure sur chaque photon individuel conduise à un résultat totalement aléatoire, les mesures des deux photons donnent toujours le même résultat aléatoire exact. Encore plus étrange : ce caractère aléatoire est synchronisé instantanément, même si les photons sont séparés par des années-lumière.

« Le phénomène ne peut tout simplement pas être pensé de manière classique, » indique Florian Kaiser, qui dirige l'équipe Quantum Materials au sein du département Materials Research and Technology au LIST. « Nous sommes naïfs dans notre expérience quotidienne, ce qui ne nous enseigne guère mieux. Nous pourrions penser qu'il doit y avoir un support, un canal pour que ces photons se connectent et communiquent des informations. Mais l'ensemble des règles physiques que nous expérimentons dans notre monde macroscopique quotidien est défaillant, car il ne tient pas compte des détails microscopiques sous-jacents du monde quantique.»

Florian Kaiser a rejoint le LIST à la fin de l'année dernière et travaille sur un projet financé à l'échelle de l'UE qui pourrait révolutionner la communication sur Internet.

L'Entrelacement pour le Calcul Quantique Aveugle

Imaginez une coordination entre deux partenaires parfaitement en phase. Dans un entrelacement quantique, c'est ainsi que se comportent exactement deux particules. Elles sont toujours en accord l'une avec l'autre. Si une mesure est effectuée sur une particule (une mesure revient à poser n'importe quelle question aléatoire), le résultat sera exactement le même pour l'autre, et cela de manière instantanée. De plus, l'entrelacement quantique est purement monogame. Il n'y a jamais de place pour une troisième particule ou une troisième mesure, car cela mettrait immédiatement un terme à la synchronisation. Cette caractéristique d'exclusivité de l'entrelacement est la base d'un Internet inattaquable.

« En l’état, la communication sur Internet n'est jamais totalement sécurisée », poursuit le chercheur. En effet, les méthodes de cryptage actuelles - même les plus solides d'entre elles - sont faillibles et peuvent être craquées avec suffisamment de temps et de puissance de calcul, en particulier lorsque les ordinateurs quantiques seront disponibles. Ce qui est encore pire, c'est que nous ne pouvons jamais savoir si quelqu'un intercepte notre communication. C'est là que les lois de la mécanique quantique entrent en jeu. Alors que la communication quantique ne peut pas empêcher un espion de tenter d'intercepter notre communication, la monogamie de l'entrelacement nous permet de détecter clairement la présence d'un tiers en comparant simplement certains de nos résultats de mesure. S'ils ne sont pas parfaitement identiques, il serait conseillé de changer de canal de communication.

Le calcul quantique aveugle est un cas d'utilisation particulier de la communication quantique. Ici, vous êtes à la fois l'émetteur et le récepteur, vous possédez donc les deux photons entrelacés. Comme prêt temporaire, vous envoyez un photon à un puissant ordinateur quantique via l'Internet quantique. Un ordinateur quantique a la capacité d'effectuer des calculs sur le photon sans rien savoir de ses propriétés. Par conséquent, il peut vous renvoyer le photon sans apprendre quoi que ce soit sur votre calcul important. Là encore, vous ne pouvez pas empêcher l'opérateur d'un ordinateur quantique de vouloir connaître vos calculs. Cependant, vous pouvez intercaler des « données fictives » dans votre flux de photons, sur lesquelles vous effectuez des tests d'entrelacement monogame à l'aide du deuxième photon entrelacé, que vous avez toujours conservé avec vous. Si ces tests échouent, vous devriez probablement vous tourner vers un autre fournisseur de matériel informatique quantique.

La Communication Quantique

L'idée d'utiliser des modes de communication quantiques n'est pas nouvelle. Le concept a été abordé pour la première fois par le physicien Stephen Wiesner dans les années 1970. Ce dernier a reconnu le potentiel d'un principe fondamental de la mécanique quantique : l'incapacité de mesurer la propriété d'un système sans la modifier. Wiesner a été le premier à suggérer d'encoder des informations dans des bits quantiques, ou qubits. Contrairement aux bits classiques, qui peuvent être dans l'état « 0 » ou « 1 », les qubits existent également dans n'importe quel état intermédiaire (superposition). Cependant, une mesure sur un qubit entraîne un effondrement immédiat à « 0 » ou « 1 ». En d'autres termes, une mesure change fondamentalement l'état du qubit, ce qui empêche fondamentalement le développement d'une machine à cloner les qubits. Cela est intuitivement clair, car toute forme de clonage nécessite une sorte de mesure, qui altère les états de superposition d'origine. Cette restriction constitue une solution infaillible aux problèmes de sécurité, car elle garantit que l'information quantique ne peut pas être copiée sans laisser de trace.

S'appuyant sur le travail de Wiesner, en 1984, Charles Bennett d'IBM et Gilles Brassard de l'Université de Montréal ont élaboré une méthode pour établir une communication sécurisée basée sur une clé de chiffrement inviolable utilisant de la lumière polarisée. Cette approche, connue sous le nom de distribution de clé quantique (QKD), permet à deux utilisateurs de s'accorder sur un schéma de cryptographie choisi au hasard et de renouveler la stratégie pour chaque bit d'information classique qui sera transmis ultérieurement. Comme auparavant, vous ne pouvez pas empêcher un espion de tenter de s'emparer de votre stratégie de cryptographie, cependant, vous pouvez compter sur la monogamie de l'entrelacement pour vous aider à identifier l'adversaire. Aujourd'hui, des systèmes QKD utilisant ces principes sont déjà disponibles commercialement, principalement utilisés par des organisations financières ou gouvernementales.

Répéteurs Quantiques

L’un des enjeux de la communication quantique est la distance, explique Kaiser, car les qubits ne peuvent être envoyés que sur de courtes distances. « Bien que les fibres optiques de télécommunications soient extrêmement transparentes, les photons finissent par être absorbés. La chance pour un photon de survivre après une distance de 50 km est à peu près la même que de faire un six avec un dé. À une distance de 100 km, c'est la même chance que de faire un double-six. À une distance paneuropéenne de 1000 km, il faudrait faire vingt six à la fois. Si vous lanciez ces 20 dés une fois par seconde, cela équivaudrait à tenter l’opération pendant environ 100 millions d'années pour y parvenir. Pas franchement concluant, donc. » De plus, la propriété fondamentale des états quantiques, qui les empêche d'être copiés, élimine la possibilité d'envoyer plusieurs copies d'un qubit dans l'espoir qu'au moins l'une d'entre elles atteigne sa destination. Le véritable défi de la construction d'un réseau quantique est donc de rechercher des solutions alternatives qui permettraient aux qubits à photon unique de parcourir une distance maximale.

« Heureusement, les physiciens quantiques ont trouvé un moyen de contourner ce problème », remarque Florian Kaiser. Dans un scénario à longue distance, un lien de réseau est découpé en plusieurs segments courts. Deux segments adjacents sont connectés par un nœud répéteur quantique, qui peut envoyer et recevoir des états quantiques photoniques. Une fois qu'un nœud répéteur reçoit un photon d'un autre nœud, ces deux nœuds sont ensuite entrelacés et aucun photon n'a besoin d'être envoyé à travers ce segment. Lorsque toutes les paires de nœuds répéteurs sont finalement entrelacées, nous pouvons effectuer une mesure de l'état de Bell pour créer de l'entrelacement entre les deux extrémités du réseau. Le chercheur mentionne : « Revenant à l'exemple des dés, la stratégie du répéteur quantique vous permet de laisser tous les dés qui ont fait sur un six sur la table, et de continuer seulement avec les autres. Avec cette stratégie, vous pouvez obtenir vingt six en quelques secondes au lieu de millions d'années. »

Quantum Internet Alliance et LIST

Le développement de ces systèmes de répéteurs quantiques en vue de construire un écosystème d'Internet quantique à l'échelle de l'Europe a été une priorité stratégique pour la Commission européenne. Dans cet objectif, en octobre 2022, un ambitieux programme de sept ans a été lancé par la Quantum Internet Alliance (QIA), dans le cadre d'un projet phare de l'UE, une initiative de recherche largement financée par la Commission. Fondée en 2017, la QIA rassemble des institutions académiques, des opérateurs de télécommunications, des intégrateurs de systèmes et des start-ups technologiques quantiques de divers endroits en Europe.

Le LIST a rejoint l'alliance avec son expertise en nanotechnologie à la fin de l'année dernière pour le développement de matériaux quantiques utilisés comme répéteurs. Florian Kaiser et son équipe s’attèlent à l'un des nombreux aspects qui contribueraient au développement de ce prototype révolutionnaire d'un vaste réseau quantique en Europe. « Nous testons le potentiel des répéteurs quantiques basés sur des impuretés atomiques individuelles (centres de couleur) dans des cristaux de carbure de silicium par ailleurs parfaits. Les impuretés à vide d'azote dans le diamant sont aujourd'hui les principales candidates. Cependant, comme vous pouvez l'imaginer, les diamants ne sont pas bon marché et sont réputés pour être difficiles à fabriquer. Le consortium QIA nous a confié la responsabilité de développer la plate-forme de matériaux de répéteurs quantiques évolutifs de la prochaine génération, basée sur la technologie des semi-conducteurs en carbure de silicium ». Dans le même temps, les autres partenaires de QIA poursuivent leurs travaux sur les deux plateformes établies de diamant et d'ions piégés afin de mettre en œuvre une démonstration d'informatique quantique aveugle, en particulier pour préparer des interfaces software-hardware user-friendly. Quelle est l'importance d’adhérer à un consortium tel que la QIA ? Outre la collaboration avec les pairs et la contribution aux avancées révolutionnaires en matière de sécurité, d'informatique et de science en général, Kaiser souligne que le Luxembourg apparaît désormais comme le centre de l'alliance et le voisin le plus proche de l'université technologique de Delft, aux Pays-Bas, qui est également à l'avant-garde de la technologie quantique. « Si nous parvenons à établir une connexion par fibre optique entre Delft et le LIST, le Luxembourg pourrait devenir le premier pays à disposer d'une liaison internet quantique "physique" qui se connecte au-delà de ses frontières et qui s'appuie sur des répéteurs quantiques développés au Luxembourg ». Il s’agit donc d’un véritable saut quantique pour le pays qui réalise son potentiel et sa vision de faire un jour de l'internet quantique une réalité tangible pour tous.