La recherche quantique dans un laboratoire de l’Université de Chicago pourrait aider à prévenir le piratage et à connecter un futur réseau de superordinateurs
Les apparences modestes de Equipment Closet LL211A démentent l’importance d’un projet à la pointe de l’une des compétitions technologiques les plus en vogue au monde. Les États-Unis, la Chine et d’autres rivalisent pour exploiter les propriétés bizarres des particules quantiques pour traiter l’information de nouvelles manières puissantes – une technologie qui pourrait conférer des avantages économiques et de sécurité nationale majeurs aux pays qui la dominent.
La recherche quantique est si importante pour l’avenir d’Internet qu’elle attire de nouveaux financements fédéraux, notamment de la loi sur les puces et la science récemment adoptée. En effet, s’il se concrétise, l’Internet quantique pourrait protéger les transactions financières et les données de santé, empêcher le vol d’identité et arrêter les pirates informatiques hostiles dans leur élan.
La semaine dernière, trois physiciens se sont partagé le prix Nobel de la recherche quantique qui a contribué à ouvrir la voie à ce futur Internet.
La recherche quantique a encore beaucoup d’obstacles à surmonter avant de se généraliser. Mais les banques, les sociétés de soins de santé et d’autres commencent à mener des expériences sur l’Internet quantique. Certaines industries bricolent également avec des ordinateurs quantiques à un stade précoce pour voir s’ils pourraient éventuellement résoudre des problèmes que les ordinateurs actuels ne peuvent pas résoudre, comme la découverte de nouveaux produits pharmaceutiques pour traiter des maladies incurables.
Grant Smith, un étudiant diplômé de l’équipe de recherche quantique de l’Université de Chicago, a déclaré qu’il était trop tôt pour imaginer toutes les applications potentielles.
“Lorsque les gens ont créé pour la première fois les internets rudimentaires reliant les ordinateurs de niveau de recherche, les universités et les laboratoires nationaux, ils n’auraient pas pu prédire le commerce électronique”, a-t-il déclaré lors d’une récente visite des laboratoires de l’université.
L’étude de la physique quantique a commencé au début du XXe siècle, lorsque les scientifiques ont découvert que les plus petits objets de l’univers – les atomes et les particules subatomiques – se comportent d’une manière différente de la matière dans le monde à grande échelle, par exemple en semblant se trouver à plusieurs endroits en même temps. .
Ces découvertes, appelées la première révolution quantique, ont conduit à de nouvelles technologies telles que les lasers et l’horloge atomique. Mais la recherche rapproche désormais les scientifiques de l’exploitation d’une plus grande partie des pouvoirs particuliers du monde quantique. David Awschalom, professeur à la Pritzker School of Molecular Engineering de l’Université de Chicago et chef de l’équipe quantique, appelle cela la deuxième révolution quantique.
Le domaine “essaye de concevoir la façon dont la nature se comporte à son niveau le plus fondamental dans notre monde, et d’exploiter ces comportements pour de nouvelles technologies et applications”, a-t-il déclaré.
Les ordinateurs et les réseaux de communication existants stockent, traitent et transmettent les informations en les décomposant en longs flux de bits, qui sont généralement des impulsions électriques ou optiques représentant un zéro ou un.
Les particules quantiques, également appelées bits quantiques, ou qubits, peuvent exister sous forme de zéros et de uns en même temps, ou dans n’importe quelle position entre, une flexibilité connue sous le nom de “superposition” qui leur permet de traiter l’information de nouvelles façons. Certains physiciens les comparent à une pièce tournante qui est simultanément dans un état pile et face.
Les bits quantiques peuvent également présenter un « enchevêtrement », où deux particules ou plus sont inextricablement liées et se reflètent exactement, même lorsqu’elles sont séparées par une grande distance physique. Albert Einstein a appelé cette “action effrayante à distance”.
Le matériel du placard se connecte à un réseau de fibres optiques de 124 miles allant du campus de l’université sur le côté sud de Chicago à deux laboratoires financés par le gouvernement fédéral dans la banlieue ouest qui collaborent à la recherche – Argonne National Laboratory et Fermi National Accelerator Laboratory.
L’équipe utilise des photons – qui sont des particules quantiques de lumière – pour envoyer des clés de cryptage à travers le réseau, pour voir dans quelle mesure elles voyagent à travers les fibres qui passent sous les autoroutes, les ponts et les postes de péage. Les particules quantiques sont extrêmement délicates et ont tendance à mal fonctionner à la moindre perturbation, comme une vibration ou un changement de température, il est donc délicat de les envoyer sur de longues distances réelles.
Dans le placard du sous-sol de l’université, un matériel construit par la société japonaise Toshiba émet des paires de photons intriqués et en envoie un de chaque paire via le réseau à Argonne, qui se trouve à 30 miles de là, à Lemont, Illinois. Une clé de cryptage est encodée sur une chaîne de paires de photons.
Parce que les paires sont enchevêtrées, elles sont parfaitement synchronisées les unes avec les autres. “Dans un sens, vous pouvez les considérer comme une seule information”, a déclaré Awschalom.
Lorsque les photons voyageurs atteignent l’Argonne, les scientifiques les mesurent et en extraient la clé.
Quiconque tente de pirater le réseau pour intercepter la clé échouera, a déclaré Awschalom, car les lois de la mécanique quantique disent que toute tentative d’observer des particules dans un état quantique altère automatiquement les particules et détruit les informations transmises. Il alerte également l’expéditeur et le destinataire de la tentative d’écoute clandestine.
C’est l’une des raisons pour lesquelles les scientifiques pensent que la technologie est si prometteuse.
“Il y a d’énormes difficultés techniques à surmonter, mais on pourrait dire que cela pourrait devenir aussi important que la révolution technologique du 20e siècle qui nous a donné le laser, le transistor et l’horloge atomique et, par conséquent, le GPS et Internet”, Steven Girvin, un professeur de physique à Yale, a déclaré à propos des découvertes récentes de la technologie quantique.
Dans un laboratoire à côté du placard, Awschalom et ses collègues tentent de développer de nouveaux appareils qui aideront les photons à transporter des informations sur de plus grandes distances. La pièce est un enchevêtrement exigu de millions de dollars d’équipement de laboratoire, de lasers et d’une photo de Thomas the Tank Engine, car l’un des instruments fait un bruit de souffle constant. “C’est pour, je suppose, une valeur comique”, a déclaré l’étudiant diplômé Cyrus Zeledon.
Un problème qu’ils essaient de résoudre : lorsque les minuscules particules de lumière traversent les fibres de verre du réseau, les imperfections du verre provoquent une atténuation de la lumière après une certaine distance. Les chercheurs tentent donc de développer des dispositifs capables de capturer et de stocker les informations des particules lumineuses lors de leur voyage, puis de renvoyer les informations avec une nouvelle particule, comme un Pony Express photonique.
Portant des gants en latex violet pour éviter d’endommager la surface, Zeledon a brandi une minuscule carte de circuit imprimé contenant deux puces de carbure de silicium que lui et ses collègues testent comme un dispositif pour stocker et contrôler les informations à partir de bits quantiques. Plus tard dans la journée, Zeledon prévoyait de refroidir les puces à des températures très basses et de les examiner au microscope, pour rechercher des bits quantiques qu’il avait implantés dans les puces qu’il pourrait ensuite manipuler avec des micro-ondes pour échanger des informations avec des photons.
À l’autre bout du réseau, un matin récent, le scientifique d’Argonne Joe Heremans, qui était auparavant l’étudiant d’Awschalom, s’est excusé pour le fort bruit de souffle qui se répercutait également autour de son laboratoire. Où était sa photo de Thomas the Tank Engine ? “Nous essayons d’être un peu plus professionnels ici”, a-t-il plaisanté.
Heremans et ses collègues tentent également de développer de nouveaux dispositifs et matériaux pour aider les photons à transporter des informations quantiques sur de plus grandes distances. Les diamants synthétiques sont un matériau prometteur, a-t-il dit, faisant un signe de tête vers un réacteur qui produisait des diamants au rythme glacial de nanomètres par heure.
Le financement fédéral de la Loi sur l’initiative nationale quantique, adopté par le Congrès et signé par le président Donald Trump en 2018, a récemment aidé le laboratoire à acheter un deuxième réacteur qui fera pousser les diamants plus rapidement. La loi sur les puces et la science, signée par le président Biden en août, apporte un soutien supplémentaire à la recherche et au développement qui renforcera les efforts quantiques.
Dans un coin de son laboratoire, Heremans a pointé du doigt une machine Toshiba identique à celle de l’université de Chicago. De là, un fouillis de fils colorés transporte des signaux vers et depuis le réseau, qui, après avoir quitté le laboratoire, tourne en boucle sous un Ikea et Buffalo Wild Wings à proximité avant de tirer dans les deux sens vers l’université et le Fermilab.
Les scientifiques expérimentent des bancs d’essai similaires à Boston, New York, Maryland et Arizona. Des réseaux expérimentaux existent également aux Pays-Bas, en Allemagne, en Suisse et en Chine.
L’objectif est de connecter un jour tous ces bancs d’essai, via des liaisons fibre et satellite, à un Internet quantique naissant couvrant les États-Unis et, éventuellement, le monde entier. Au fur et à mesure que le réseau se développe, il pourrait idéalement être utilisé non seulement pour envoyer des informations cryptées, mais aussi pour connecter des ordinateurs quantiques afin d’augmenter leur puissance de traitement, comme le fait le cloud pour les ordinateurs actuels.
“L’idée d’un Internet quantique est quelque chose qui est en train de naître”, a déclaré Smith.
