Qu’est-ce que l’internet quantique ? Tout ce que vous devez savoir sur l’étrange avenir des réseaux quantiques

L’Europe, et les États-Unis se sont joints à la Chine dans la recherche sur le concept de communications quantiques. Mais qu’est-ce que l’internet quantique exactement, comment fonctionne-t-il et que peut-il promettre ?

Qu’est ce que l’Internet Quantique ?

L’internet quantique est un réseau qui permettra aux dispositifs quantiques d’échanger certaines informations dans un environnement qui exploite les lois étranges de la mécanique quantique. En théorie, cela conférerait à l’internet quantique des capacités sans précédent, impossibles à réaliser avec les applications web actuelles.

Dans le monde quantique, les données peuvent être encodées à l’état de qubits, qui peuvent être créés dans des dispositifs quantiques comme un ordinateur ou un processeur quantique. Et l’internet quantique, en termes simples, consistera à envoyer des qubits à travers un réseau de multiples dispositifs quantiques qui sont physiquement séparés. Tout cela se produira grâce aux propriétés farfelues propres aux états quantiques.

Cela pourrait ressembler à l’Internet standard. Mais envoyer des qubits par un canal quantique, plutôt que par un canal classique, signifie en fait exploiter le comportement des particules lorsqu’elles sont prises à leur plus petite échelle – ce qu’on appelle les “états quantiques”, qui ont suscité la joie et la consternation des scientifiques pendant des décennies.

Et les lois de la physique quantique, qui sous-tendent la manière dont l’information sera transmise dans l’internet quantique, ne sont rien de moins qu’inconnues. En fait, elles sont étranges, contre-intuitives, et parfois même apparemment surnaturelles.

Pour comprendre le fonctionnement de l’écosystème de l’Internet quantique, il faut donc oublier tout ce que vous savez sur l’informatique classique. En effet, l’internet quantique ne vous rappellera guère votre navigateur web préféré. Bref, peu de choses auxquelles la plupart des utilisateurs sont habitués. Il ne faut donc pas s’attendre, au moins pour les prochaines décennies, à pouvoir un jour se lancer dans des réunions Zoom quantique.

Quel type d’information peut-on échanger avec l’Internet quantique ?

Le fait que les qubits, qui exploitent les lois fondamentales de la mécanique quantique, se comportent très différemment des bits classiques est au cœur de la communication quantique. Un bit classique ne peut en fait être que l’un des deux états, 1 ou 0. Tout comme un interrupteur doit être allumé ou éteint, et tout comme un chat doit être soit mort soit vivant, un bit doit être soit 0 soit 1.

Avec des qubits, c’est différent. Les qubits sont plutôt superposés : ils peuvent être 0 et 1 simultanément, dans un état quantique spécial qui n’existe pas dans le monde classique. C’est un peu comme si vous pouviez être à la fois à gauche et à droite de votre canapé, au même moment. Le paradoxe est que le simple fait de mesurer un qubit signifie qu’on lui attribue un état. Un qubit mesuré tombe automatiquement de son double état, et est relégué à 0 ou 1, comme un bit classique.

Le phénomène s’appelle la superposition, et se trouve au cœur de la mécanique quantique.

Il n’est pas surprenant que les qubits ne puissent pas être utilisés pour envoyer le type de données que nous connaissons, comme les courriels et les messages WhatsApp. Mais le comportement étrange des qubits ouvre d’énormes possibilités dans d’autres applications plus spécialisées.

Des communications quantiques plus sûres

L’une des pistes les plus passionnantes que les chercheurs, armés de qubits, explorent, est la sécurité. En ce qui concerne les communications classiques, la plupart des données sont sécurisées en distribuant une clé commune à l’expéditeur et au destinataire, puis en utilisant cette clé commune pour chiffrer le message. Le destinataire peut ensuite utiliser sa clé pour décoder les données à son tour.

La sécurité de la plupart des communications classiques d’aujourd’hui repose sur un algorithme de création de clés que les pirates informatiques ont du mal à déchiffrer. Mais il n’est pas impossible de la faire. C’est pourquoi les chercheurs étudient ce processus de communication “quantique”. Ce concept est au cœur d’un domaine émergent de la cybersécurité appelé distribution de clés quantiques (QKD – quantum key distribution).

Le QKD fonctionne en demandant à l’une des deux parties de chiffrer une donnée classique en codant la clé de cryptographie sur des qubits. L’expéditeur transmet ensuite ces qubits à l’autre personne, qui les mesure afin d’obtenir les valeurs de la clé. La mesure entraîne l’effondrement de l’état du qubit ; mais c’est la valeur qui est lue pendant le processus de mesure qui est importante. Le qubit, d’une certaine manière, n’est là que pour transporter la valeur clé.

Plus important encore, le QKD signifie qu’il est facile de savoir si une tierce partie a inspecté les qubits pendant la transmission, puisque l’intrus aurait fait s’effondrer la clé simplement en la regardant. Si un hacker examinait les qubits à un moment quelconque de leur envoi, cela changerait automatiquement l’état des qubits. Un espion laisserait inévitablement derrière lui un signe d’écoute – c’est pourquoi les cryptographes soutiennent que le QKD est “manifestement” sûr.

Alors, qu’est ce qu’un Internet quantique ?

La technologie de QKD n’en est qu’à ses débuts. La manière “habituelle” de créer des QKD consiste actuellement à envoyer des qubits de manière unidirectionnelle au récepteur, par le biais de câbles de fibres optiques ; mais cela limite considérablement l’efficacité du protocole.

Les quubits peuvent facilement se perdre ou se disperser dans un câble de fibre optique, ce qui signifie que les signaux quantiques sont très sujets à erreur et qu’ils ont du mal à parcourir de longues distances. Les expériences actuelles sont en fait limitées à une portée de plusieurs centaines de kilomètres.

Il existe une autre solution, et c’est celle qui sous-tend l’internet quantique : exploiter une autre propriété du quantum, appelée intrication, pour communiquer entre deux dispositifs.

Lorsque deux qubits interagissent et s’entremêlent, ils partagent des propriétés particulières qui dépendent l’une de l’autre. Lorsque les qubits sont dans un état d’enchevêtrement (ou d’intrication), toute modification d’une particule de la paire entraîne des modifications de l’autre, même si elles sont physiquement séparées.

L’état du premier qubit peut donc être “lu” en observant le comportement de son homologue enchevêtré. C’est exact : même Albert Einstein a qualifié l’ensemble d'”action effrayante à distance”. Et dans le contexte de la communication quantique, l’intrication pourrait en effet, téléporter certaines informations d’un qubit à son autre moitié enchevêtrée, sans qu’il soit nécessaire de disposer d’un canal physique reliant les deux pendant la transmission.

Comment fonctionne l’enchevêtrement ?

Le concept même de téléportation implique, par définition, l’absence d’un réseau physique reliant les dispositifs de communication. Mais il reste que l’enchevêtrement doit être créé en premier lieu, puis maintenu.

Pour réaliser un QKD par enchevêtrement, il est nécessaire de construire l’infrastructure appropriée pour créer d’abord des paires de qubits enchevêtrés, puis les distribuer entre un émetteur et un récepteur. Cela crée le canal de “téléportation” sur lequel les clés de cryptographie peuvent être échangées.

Plus précisément, une fois que les qubits enchevêtrés ont été générés, vous devez envoyer la moitié de la paire au destinataire de la clé. Un qubit enchevêtré peut voyager à travers des réseaux de fibres optiques, par exemple, mais ceux-ci ne peuvent pas maintenir l’enchevêtrement après environ 100 kilomètres. Les qubits peuvent également être maintenus enchevêtrés sur de grandes distances par satellite, mais couvrir la planète avec des dispositifs quantiques satellitaires est coûteux.

Il reste donc d’énormes défis techniques à relever pour construire des “réseaux de téléportation” à grande échelle qui pourraient relier efficacement les qubits à travers le monde. Une fois le réseau d’enchevêtrement en place, la magie peut commencer : les qubits reliés n’auront plus besoin de passer par aucune forme d’infrastructure physique pour délivrer leur message.

Pendant la transmission, la clé quantique serait donc pratiquement invisible pour les tiers, impossible à intercepter et “téléportée” de manière fiable d’un point à l’autre. L’idée trouvera un écho dans les secteurs qui traitent des données sensibles, comme les banques, les services de santé ou les communications aériennes. Et il est probable que les gouvernements assis sur des informations top secrètes seront également les premiers à adopter cette technologie.

Et à part la sécurité, que faire d’autre avec l’Internet quantique ?

Pourquoi s’embêter avec l’enchevêtrement ? Après tout, les chercheurs pourraient simplement trouver des moyens d’améliorer la forme “habituelle” de la QKD. Les répéteurs quantiques, par exemple, pourraient grandement contribuer à augmenter la distance de communication dans les câbles à fibres optiques, sans avoir à aller jusqu’à l’enchevêtrement des qubits.

Et ce, sans tenir compte de l’immense potentiel que l’enchevêtrement pourrait avoir pour d’autres applications. Car le QKD pourrait également être utilisé, par exemple, pour fournir un moyen fiable de construire des clusters quantiques constitués de qubits enchevêtrés situés dans différents dispositifs quantiques.

Les chercheurs n’auront pas besoin d’un matériel quantique particulièrement puissant pour se connecter à l’internet quantique – en fait, même un processeur d’un seul qbit pourrait faire l’affaire. Mais en reliant entre eux des dispositifs quantiques qui, dans leur état actuel, ont des capacités limitées, les scientifiques espèrent pouvoir créer un superordinateur quantique qui les surpassera tous.

En connectant ensemble de nombreux dispositifs quantiques plus petits, l’internet quantique pourrait donc commencer à résoudre les problèmes qu’il est actuellement impossible de résoudre avec un seul ordinateur quantique. Il s’agit notamment d’accélérer l’échange de vastes quantités de données et de réaliser des expériences de détection à grande échelle en astronomie et en sciences de la vie.

C’est pourquoi les scientifiques sont convaincus que nous pourrions récolter les avantages de l’internet quantique avant même que des géants technologiques tels que Google et IBM n’atteignent la suprématie quantique – soit le moment où un seul ordinateur quantique résoudra un problème qui est insoluble pour un ordinateur classique.

Les ordinateurs quantiques les plus avancés de Google et d’IBM se situent actuellement autour de 50 qubits, ce qui, à lui seul, est bien inférieur à ce qui est nécessaire pour effectuer les calculs phénoménaux requis pour résoudre les problèmes que la recherche quantique espère résoudre.

D’autre part, le fait de relier ces dispositifs entre eux par enchevêtrement quantique pourrait donner naissance à des grappes de plusieurs milliers de qubits. Pour de nombreux scientifiques, la création d’une telle puissance de calcul est en fait le but ultime du projet d’internet quantique.

Qu’est ce que l’on ne pourra pas faire avec l’Internet quantique ?

Dans un avenir proche, l’internet quantique ne pourra pas être utilisé pour échanger des données comme nous le faisons actuellement sur nos ordinateurs portables. Imaginer un Internet quantique opérationnel nécessiterait d’anticiper de quelques décennies (ou plus) d’avancées technologiques. Autant les scientifiques rêvent de l’avenir de l’internet quantique, autant il est impossible d’établir un parallèle entre le projet tel qu’il se présente actuellement et la façon dont nous naviguons sur le web au quotidien.

De nos jours, de nombreuses recherches sur les communications quantiques visent à trouver la meilleure façon de coder, de compresser et de transmettre des informations grâce aux états quantiques. Les états quantiques sont bien sûr connus pour leurs densités extraordinaires, et les scientifiques sont convaincus qu’un seul nœud pourrait téléporter une grande quantité de données. Mais le type d’informations que les scientifiques envisagent d’envoyer via l’internet quantique n’a pas grand-chose à voir avec l’ouverture d’une boîte de réception et le défilement des courriels. En fait, la technologie ne vise pas à remplacer l’internet classique.

Les chercheurs espèrent plutôt que l’internet quantique se situera à côté de l’internet classique, et qu’il sera utilisé pour des applications plus spécialisées. L’internet quantique permettra d’effectuer des tâches qui peuvent être réalisées plus rapidement sur un ordinateur quantique que sur des ordinateurs classiques, ou qui sont trop difficiles à réaliser même sur les meilleurs superordinateurs qui existent aujourd’hui.

Alors, qu’est ce que l’on en attend ?

Les scientifiques savent déjà comment créer un enchevêtrement entre les qubits, et ils ont même réussi à tirer parti de l’enchevêtrement pour le QKD. La Chine, investisseur de longue date dans les réseaux quantiques, a battu des records en matière d’intrication induite par les satellites. Des scientifiques chinois ont récemment établi l’intrication et ont atteint le QKD sur une distance record de 1200 kilomètres.

L’étape suivante, cependant, consiste à développer l’infrastructure. Jusqu’à présent, toutes les expériences n’ont connecté que deux points. Maintenant que la communication point à point a été réalisée, les scientifiques travaillent à la création d’un réseau dans lequel plusieurs expéditeurs et plusieurs récepteurs pourraient échanger sur l’internet quantique à l’échelle mondiale.

L’idée est de trouver les meilleurs moyens de produire à la demande de nombreux qubits enchevêtrés, sur de longues distances et entre de nombreux points différents en même temps. C’est beaucoup plus facile à dire qu’à faire : par exemple, le maintien de l’enchevêtrement entre un appareil en Chine et un autre aux États-Unis nécessiterait probablement un nœud intermédiaire, en plus de nouveaux protocoles de routage.

Et les pays optent pour des technologies différentes lorsqu’il s’agit d’établir l’enchevêtrement au départ. Alors que la Chine choisit la technologie des satellites, la fibre optique est la méthode privilégiée par les américains, qui tentent de créer un réseau de répéteurs quantiques pouvant augmenter la distance qui sépare les qubits enchevêtrés.

Aux États-Unis, des particules sont restées enchevêtrées dans des fibres optiques sur une “boucle quantique” de 80 kilomètres dans la banlieue de Chicago, sans qu’il soit nécessaire de recourir à des répéteurs quantiques. Le réseau sera bientôt relié à l’un des laboratoires du DoE pour établir un banc d’essai quantique de 130 kilomètres.

En Europe, la Quantum Internet Alliance a été créée en 2018 pour développer une stratégie pour l’internet quantique, et a démontré un enchevêtrement sur 50 kilomètres l’année dernière.

Pour les chercheurs en sciences quantiques, l’objectif est de faire passer les réseaux au niveau national d’abord, et un jour au niveau international. La grande majorité des scientifiques s’accordent à dire que cela ne se fera probablement pas avant une vingtaine d’années. L’internet quantique est sans aucun doute un projet à très long terme, avec de nombreux obstacles techniques encore à résoudre.