L’Internet d’aujourd’hui distribue des bits et des octets classiques d’informations sur des distances mondiales, voire interstellaires. L’Internet quantique de demain, quant à lui, permettra la connexion, la manipulation et le stockage à distance d’informations quantiques – grâce à la distribution de l’intrication quantique à l’aide de photons – entre des nœuds quantiques physiquement distants au sein de réseaux optiques métropolitains, régionaux et longue distance. Les opportunités sont intéressantes et apparaissent déjà pour la science, la sécurité nationale et l’économie dans son ensemble.

En exploitant les principes de la mécanique quantique – superposition, intrication et théorème du « non-clonage », par exemple – les réseaux quantiques permettront toutes sortes d’applications uniques qui ne sont pas possibles avec les technologies de réseau classiques. Pensez aux systèmes de communication cryptés quantiquement pour le gouvernement, les finances, les soins de santé et l'armée ; détection quantique et métrologie à ultra haute résolution pour la recherche scientifique et la médecine ; et, à terme, la mise en œuvre de ressources informatiques quantiques à grande échelle basées sur le cloud, reliées en toute sécurité à travers des réseaux mondiaux.

Cependant, à l’heure actuelle, les réseaux quantiques en sont encore à leurs balbutiements, avec la communauté des chercheurs, les grandes entreprises technologiques (des entreprises comme IBM, Amazon, Google et Microsoft) et une vague de start-ups financées par du capital-risque qui poursuivent toutes diverses voies de R&D vers des fonctionnalités pratiques et mise en œuvre. Une étude de cas à cet égard est QUANT-NET, une initiative de R&D de 12.5 millions de dollars sur cinq ans soutenue par le Département américain de l'énergie (DOE), dans le cadre du programme Advanced Scientific Computing Research, dans le but de construire une preuve de- principe de réseau quantique testé pour les applications d’informatique quantique distribuée.

Hors du laboratoire, dans le réseau

Collectivement, les quatre partenaires de recherche au sein du consortium QUANT-NET – Berkeley Lab (Berkeley, Californie) ; Université de Californie à Berkeley (UC Berkeley, Californie) ; Caltech (Pasadena, Californie) ; et l'Université d'Innsbruck (Autriche) – cherchent à établir un réseau d'informatique quantique distribué à trois nœuds entre deux sites (Berkeley Lab et UC Berkeley). De cette manière, chacun des nœuds quantiques sera relié via un schéma de communication par intrication quantique sur une fibre de télécommunications préinstallée, toute l'infrastructure du banc d'essai étant gérée par une pile logicielle sur mesure.

"Il existe de nombreux défis complexes lorsqu'il s'agit d'augmenter le nombre de qubits sur un seul ordinateur quantique", déclare Indermohan (Inder) Monga, chercheur principal de QUANT-NET et directeur de la division des réseaux scientifiques du Berkeley Lab et directeur exécutif d'Energy. Sciences Network (ESnet), le service d'utilisation du réseau haute performance du DOE (voir « ESnet : mise en réseau de la science à grande échelle »). "Mais si un ordinateur plus grand peut être construit à partir d'un réseau de plusieurs ordinateurs plus petits", ajoute-t-il, "pourrions-nous peut-être accélérer la mise à l'échelle des capacités de l'informatique quantique - davantage de qubits travaillant essentiellement en tandem - en répartissant l'intrication quantique sur une fibre optique. infrastructure optique ? C’est la question fondamentale à laquelle nous essayons de répondre au sein de QUANT-NET.

ESnet : mettre en réseau la science à grande échelle aux États-Unis et au-delà

ESnet fournit des connexions et des services réseau à large bande passante aux scientifiques multidisciplinaires sur plus de 50 sites de recherche du Département américain de l'énergie (DOE) – y compris l'ensemble du système de laboratoire national, ses ressources de calcul intensif associées et ses installations à grande échelle – ainsi qu'un peering avec plus de 270 réseaux de recherche et commerciaux dans le monde.

Financé par le Bureau scientifique du DOE, ESnet est une installation utilisateur désignée du DOE, gérée et exploitée par la division de réseautage scientifique du Berkeley Lab. « Nous considérons ESnet comme le système de circulation des données du DOE », déclare Inder Monga, directeur exécutif d'ESnet et chef du projet QUANT-NET. "Nos équipes travaillent en étroite collaboration avec les chercheurs du DOE et la communauté internationale des réseaux ainsi qu'avec l'industrie pour développer des logiciels open source et des projets techniques collaboratifs qui accéléreront la science à grande échelle."

Le positionnement de QUANT-NET au sein de Monga n’est pas un hasard, exploitant les connaissances et l’expertise accumulées dans le domaine des équipes d’ingénierie d’ESnet sur les architectures de réseau, les systèmes et les logiciels. "L'objectif de QUANT-NET est un réseau quantique échangeant des intrications 24h/7 et XNUMXj/XNUMX et médiatisé par un plan de contrôle automatisé", note Monga. « Nous n’y parviendrons pas dans le cadre de ce projet de R&D limité, mais c’est là que nous nous dirigeons du point de vue de la vision. »

Une autre motivation de Monga et de ses collègues est de faire sortir les technologies de communication quantique du laboratoire pour les intégrer à des systèmes de réseautage réels qui exploitent les fibres de télécommunications déjà déployées dans le sol. « Les systèmes de réseaux quantiques actuels sont encore essentiellement des expériences de physique de la taille d'une pièce ou sur table, peaufinées et gérées par des étudiants diplômés », explique Monga.

À ce titre, l’une des tâches principales de l’équipe QUANT-NET est de démontrer des technologies déployables sur le terrain qui, au fil du temps, pourront fonctionner 24h/7 et XNUMXj/XNUMX sans intervention d’un opérateur. « Ce que nous voulons faire, c'est créer la pile logicielle pour orchestrer et gérer toutes les technologies de la couche physique », ajoute Monga. "Ou du moins, ayez une idée de ce à quoi devrait ressembler cette pile logicielle à l'avenir afin d'automatiser la génération, la distribution et le stockage d'enchevêtrements à haut débit et haute fidélité de manière efficace, fiable, évolutive et rentable."

Permettre les technologies quantiques

Si l'objectif final de QUANT-NET est de tester les technologies matérielles et logicielles candidates pour l'Internet quantique, il est instructif, du point de vue de la physique, de décortiquer les éléments de base quantiques qui constituent les nœuds du réseau du banc d'essai, à savoir les ions piégés. processeurs informatiques quantiques; systèmes de conversion de fréquence quantique ; et des sources de silicium monophotonique basées sur un centre de couleur.

En ce qui concerne l’infrastructure réseau, des progrès significatifs ont déjà été réalisés dans la conception et la mise en œuvre du banc d’essai. L'infrastructure du banc d'essai QUANT-NET est complète, y compris la construction de fibres (étendue de 5 km) entre les nœuds quantiques ainsi que l'aménagement d'un hub de réseau quantique dédié au laboratoire de Berkeley. Les conceptions initiales de l’architecture du réseau quantique et de la pile logicielle sont également en place.

La salle des machines du projet QUANT-NET est le processeur informatique quantique à ions piégés, qui repose sur l'intégration d'une cavité optique de haute finesse avec un nouveau piège à puce pour le Ca.⁺ qubits ioniques. Ces qubits d'ions piégés se connecteront via un canal quantique dédié à travers le banc d'essai du réseau, créant ainsi un enchevêtrement à longue distance entre les nœuds d'informatique quantique distribués.

"La démonstration de l'intrication est essentielle car elle fournit un lien entre les registres quantiques distants qui peut être utilisé pour téléporter des informations quantiques entre différents processeurs ou pour exécuter une logique conditionnelle entre eux", explique Hartmut Häffner, chercheur principal du projet QUANT-NET. avec Monga, et dont le laboratoire de physique sur le campus de l'UC Berkeley est l'autre nœud du banc d'essai. Tout aussi important, la puissance de calcul d’un ordinateur quantique distribué évolue considérablement avec le nombre de qubits qui peuvent y être interconnectés.

Cependant, emmêler deux pièges à ions distants à travers le réseau est loin d’être simple. Premièrement, le spin de chaque ion doit être intriqué avec la polarisation d'un photon émis par son piège respectif (voir « Ingénierie et exploitation de l'intrication dans le banc d'essai QUANT-NET »). L’intrication ion-photon à haut débit et haute fidélité repose dans chaque cas sur des photons uniques dans le proche infrarouge émis à une longueur d’onde de 854 nm. Ces photons sont convertis en bande C des télécommunications à 1550 XNUMX nm pour minimiser les pertes de fibre optique ayant un impact sur la transmission ultérieure des photons entre les nœuds quantiques de l'UC Berkeley et du Berkeley Lab. Pris ensemble, les ions et les photons piégés représentent une solution gagnant-gagnant, les premiers fournissant les qubits informatiques stationnaires ; ces derniers servant de « qubits de communication volants » pour relier les nœuds quantiques distribués.

À un niveau plus granulaire, le module de conversion de fréquence quantique exploite les technologies photoniques intégrées établies et ce que l'on appelle le « processus de différence de fréquence ». De cette façon, un photon d'entrée de 854 nm (émis par un Ca⁺ ion) est mélangé de manière cohérente avec un fort champ de pompe à 1900 nm dans un milieu non linéaire, produisant un photon de télécommunications de sortie à 1550 nm. "Cette technique préserve les états quantiques des photons d'entrée tout en offrant des rendements de conversion élevés et un fonctionnement à faible bruit pour nos expériences prévues", explique Häffner.

Une fois l’intrication établie entre deux nœuds, l’équipe QUANT-NET peut alors démontrer l’élément fondamental de l’informatique quantique distribuée, dans lequel les informations quantiques dans un nœud contrôlent la logique dans l’autre. En particulier, l’intrication et la communication classique sont utilisées pour téléporter des informations quantiques du nœud de contrôle vers le nœud cible, où le processus – tel qu’une porte logique NON quantique contrôlée et non locale – peut ensuite être exécuté avec des opérations locales uniquement.

Enfin, un programme de travail parallèle est en cours pour explorer l’impact de « l’hétérogénéité » au sein du réseau quantique – reconnaissant que plusieurs technologies quantiques sont susceptibles d’être déployées (et donc interfacées les unes avec les autres) au cours des étapes de formation de l’Internet quantique. À cet égard, les dispositifs à semi-conducteurs reposant sur des centres de couleur du silicium (défauts de réseau qui génèrent une émission optique à des longueurs d'onde de télécommunications autour de 1300 XNUMX nm) bénéficient de l'évolutivité inhérente aux techniques de nanofabrication du silicium, tout en émettant des photons uniques avec un niveau élevé d'indiscernabilité (cohérence ) requis pour l'intrication quantique.

"Comme un premier pas dans cette direction", ajoute Häffner, "nous prévoyons de démontrer la téléportation d'un état quantique à partir d'un photon unique émis depuis un centre de couleur de silicium vers un corps de Ca".⁺ qubit en atténuant le problème de disparité spectrale entre ces deux systèmes quantiques.

La feuille de route QUANT-NET

Alors que QUANT-NET approche de son point médian, l'objectif de Monga, Häffner et ses collègues est de caractériser indépendamment les performances des composants discrets du banc d'essai, avant l'intégration et le réglage de ces éléments dans un banc d'essai de recherche opérationnelle. "En gardant à l'esprit les principes du système réseau, nous nous concentrerons également sur l'automatisation des différents éléments d'un banc d'essai de réseau quantique qui peuvent généralement être réglés ou calibrés manuellement dans un environnement de laboratoire", explique Monga.

Il est également crucial d’aligner les priorités de R&D de QUANT-NET sur d’autres initiatives de réseaux quantiques dans le monde – même si des approches différentes, voire incompatibles, seront probablement la norme compte tenu de la nature exploratoire de cet effort de recherche collectif. "Nous avons besoin de nombreuses fleurs pour l'instant", note Monga, "afin que nous puissions nous concentrer sur les technologies de communication quantique les plus prometteuses ainsi que sur les logiciels et architectures de contrôle de réseau associés."

À plus long terme, Monga souhaite obtenir un financement supplémentaire du DOE, de sorte que le banc d'essai QUANT-NET puisse évoluer en termes de portée et de complexité. "Nous espérons que notre approche de banc d'essai permettra une intégration plus facile des technologies quantiques prometteuses d'autres équipes de recherche et de l'industrie", conclut-il. « Cela permettra à son tour de mettre en place un cycle prototype-test-intégration rapide pour soutenir l’innovation… et contribuera à une compréhension accélérée de la manière de construire un Internet quantique évolutif qui coexiste avec l’Internet classique. »

Lectures complémentaires

Inder Monga et al. 2023 QUANT-NET : Un banc d'essai pour la recherche sur les réseaux quantiques sur fibre déployée. QuNet '23, pp 31 – 37 (10-142023 septembre XNUMX ; New York, NY, États-Unis)

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• La source: https://physicsworld.com/a/quant-nets-testbed-innovations-reimagining-the-quantum-network/