« Un pas de géant pour l’Internet quantique » : c’est ainsi que la revue scientifique Nature qualifie le satellite chinois Quess, qui doit être lancé au cours de ce mois d’août 2016 de la base de Jiuquan, en Mongolie-Intérieure. Cet engin de 600 kilos produit des paires de photons « jumeaux », des particules de lumière « intriquées », qui se comportent comme si elles s’influençaient mutuellement, même très éloignées l’une de l’autre. Le satellite émettra des paires de photons dirigés respectivement vers Pékin et Vienne, afin de tester les interactions quantiques sur de grandes distances.
L'Internet quantique © DR La mission Quess (Quantum Experiments at Space Scale, soit Expériences quantiques à l'échelle spatiale), collaboration sino-autrichienne dont le coût est d’environ 90 millions d’euros, vise à préparer un futur Internet quantique. Ce dernier n’existe, à ce jour, que sur le papier. De quoi s’agit-il ? En substance, l’idée est de créer un réseau planétaire d’ordinateurs surpuissants fonctionnant selon les principes de la théorie des quanta, et connectés par des lignes de télécommunication spéciales permettant de transporter à distance les états quantiques. Potentiellement, un tel système serait beaucoup plus rapide que l’Internet classique et mettrait à disposition des utilisateurs une puissance de calcul très supérieure. Il aurait aussi l’immense avantage de garantir le secret des communications avec un niveau de protection inégalable par les moyens actuels. Dans un système quantique, la sécurité des échanges est une caractéristique intrinsèque au traitement de l’information, car toute tentative de piratage est forcément détectée.
Bref, l’Internet quantique ressemble à un paradis de l’information. Mais il reste de nombreuses étapes à franchir avant de pouvoir atteindre cet éden numérique. Les ordinateurs quantiques n’en sont qu’à leurs balbutiements, comme on l’a vu dans les trois premiers épisodes de cette série. Même lorsqu’ils commenceront à fonctionner vraiment, ce qui devrait être le cas d’ici cinq à dix ans, assurer la liaison entre deux ou plusieurs machines quantiques constituera un défi complexe.
En effet, toute la magie des futures machines quantiques tient à leur capacité d'exploiter les propriétés « spéciales » des particules microscopiques telles que les électrons ou les photons. Ce qui donne aux bits quantiques, ou « qubits », leur efficacité, c’est le fait qu’ils peuvent se comporter d’une manière très différente des objets du monde classique, en utilisant des propriétés étranges comme la superposition d’états ou l’intrication (influence à distance entre particules).
Or, les propriétés des états quantiques sont fragiles, difficiles à contrôler, et ne peuvent pas être transportées par des lignes de télécommunication classiques. Pour transférer un état d’un ordinateur quantique à un autre, il faut se servir de la « téléportation », qui repose sur le mécanisme de l’intrication.
Soulignons que la téléportation quantique n’est pas celle qui se manifeste dans la série Star Trek et que symbolise la fameuse formule « Téléportation, Scotty ! ». Lorsqu’il entend cette injonction, l’ingénieur Montgomery Scott, alias « Scotty », actionne le bouton du « téléporteur » qui transporte instantanément le capitaine Kirk sur une planète inconnue. Au passage, si la téléportation est devenue l’un des éléments cultes de la série, c’était au départ une astuce de scénario pour éviter la mise en scène coûteuse du décollage et de l’atterrissage du vaisseau spatial.
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Dans la téléportation « quantique », ce qui est transporté instantanément à distance n’est pas une personne, mais l’état d’une particule quantique, par exemple un photon. L’ingrédient essentiel de cette téléportation est l’intrication, la propriété de deux particules jumelles de se comporter comme si elles ne formaient qu'un seul objet. Si deux photons ont été « jumelés », ils continuent de former une paire indissociable, un ensemble unique, aussi loin soient-ils l’un de l’autre. Et lorsqu’on agit sur l’un d’entre eux, tout se passe comme si l’on agissait en fait sur l’ensemble. Une action sur l’un des jumeaux entraîne donc aussitôt un effet sur l’autre jumeau. Autrement dit, les photons jumeaux se comportent comme s’ils n’étaient pas « séparables », quelle que soit la distance entre eux.
Cette propriété étrange des particules jumelles a d’abord été décrite théoriquement par les fondateurs de la physique quantique, au grand dédain d’Albert Einstein qui moquait l’« action surnaturelle à distance » entre les particules intriquées (voir le premier épisode). Mais il a été prouvé expérimentalement dans les années 1980 que la « non-séparabilité » des particules intriquées était une réalité physique, ce qui a ouvert la voie à l’utilisation de la téléportation quantique comme moyen de communication.
De premiers tests ont été réalisés sur de courtes distances. Puis, en 2012, une équipe de physiciens dirigée par l’Autrichien Anton Zeilinger, à l’université de Vienne, a spectaculairement battu le record de distance franchie par la téléportation quantique : ces physiciens ont transféré les paramètres d’un photon à un autre, les deux particules se trouvant dans deux observatoires distants de 143 kilomètres, situés sur deux des îles Canaries, l’un à La Palma et l’autre à Ténérife.