Toshiba crée un réseau quantique "inviolable" sur des centaines de kilomètres à l'aide de fibres optiques

Des chercheurs de Toshiba créent un réseau quantique "inviolable" sur des centaines de kilomètres,
Battant ainsi un nouveau record en matière de communications quantiques par fibre optique

Le géant japonais de la technologie Toshiba a annoncé cette semaine qu'il avait réussi à transmettre des informations quantiques sur des fibres optiques de 600 km de long. Les chercheurs de la société ont ainsi établi un nouveau record de distance et ont annoncé un nouvel avenir pour les réseaux quantiques gigantesques qui pourraient envoyer des informations en toute sécurité entre des villes et même des pays. L'une des premières applications de cette technique dans le monde réel sera la distribution de clés quantiques (QKD) sur de longues distances.

Les chercheurs de Toshiba travaillaient depuis le laboratoire de R&D de la société à Cambridge, au Royaume-Uni. Ces scientifiques ont prouvé qu'ils pouvaient transmettre des bits quantiques (ou qubits) sur des centaines de kilomètres de fibre optique sans brouiller les fragiles données quantiques encodées dans les particules. Selon eux, la raison de leur réussite est due à une nouvelle technologie qui stabilise les fluctuations environnementales qui se produisent dans la fibre. Cette découverte pourrait grandement contribuer à la création d'un Internet quantique de nouvelle génération, dont les scientifiques espèrent qu'il couvrira un jour les distances mondiales.

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Le terme "Internet quantique" décrit un réseau mondial d'ordinateurs quantiques connectés par des liens de communication quantique longue distance. L'idée est que cette technologie permettra la résolution ultrarapide de problèmes d'optimisation complexes dans le Cloud. Selon Toshiba, cela permettra de disposer d'un système de chronométrage mondial plus précis et de communications hautement sécurisées dans le monde entier.

L'Internet quantique devrait permettre des utilisations impossibles avec les applications Web actuelles. Cela va de la génération de communications virtuellement inviolables à la création de grappes de dispositifs quantiques interconnectés qui, ensemble, pourraient dépasser la puissance de calcul des dispositifs classiques. Plusieurs grandes initiatives gouvernementales visant à construire un Internet quantique sont déjà en cours aux États-Unis, dans l'Union européenne et en Chine.

Parlant d’Internet quantique, des chercheurs néerlandais de l'institut de recherche quantique QuTech dans la ville de Delft, aux Pays-Bas, ont annoncé en mai avoir construit le tout premier réseau quantique multinœud en parvenant à connecter trois processeurs quantiques, les nœuds pouvant à la fois stocker et traiter des qubits. Les chercheurs ont également apporté la preuve que les réseaux quantiques sont non seulement réalisables, mais aussi capables d'être étendus pour fournir à l'humanité un Internet quantique, qui pourra donc voir le jour et continuera d'exister grâce à l'intrication quantique.

Mais pour communiquer sur un réseau quantique, les dispositifs quantiques doivent envoyer et recevoir des qubits – de minuscules particules qui existent dans un état quantique spécial, mais extrêmement fragile. Trouver le meilleur moyen de transmettre des qubits sans qu'ils ne tombent de leur état quantique a donné du fil à retordre aux scientifiques du monde entier pendant de nombreuses années.

L'une des approches consiste à envoyer des qubits dans les fibres optiques qui relient les dispositifs quantiques. Cette méthode a donné de bons résultats, mais elle est limitée à une certaine échelle. En effet, de petits changements dans l'environnement, tels que des fluctuations de température, provoquent l'expansion et la contraction des fibres et risquent de perturber les qubits. C'est pourquoi, jusqu'à présent, les expériences sur les fibres optiques se sont limitées à une portée de quelques centaines de kilomètres, ce qui est loin d'être suffisant pour créer l'Internet quantique mondial à grande échelle dont rêvent les scientifiques.

Comment Toshiba a-t-il résolu le problème de stabilisation ?

Pour faire face aux conditions instables à l'intérieur des fibres optiques, les chercheurs de Toshiba ont mis au point une nouvelle technique appelée "stabilisation à double bande". La nouvelle technique envoie deux signaux optiques de référence à des longueurs d'onde différentes, ce qui minimise les fluctuations de phase sur les longues fibres. La première longueur d'onde est utilisée pour annuler les fluctuations rapides, tandis que la seconde, qui est à la même longueur d'onde que les qubits optiques, permet d'ajuster la phase.

Les chercheurs ont constaté qu'il était possible de maintenir la phase optique d'un signal quantique constante à une fraction de longueur d'onde près, avec une précision de quelques dizaines de nanomètres, même après une propagation à travers des centaines de kilomètres de fibre. Si ces fluctuations ne sont pas compensées en temps réel, la fibre se dilate et se contracte en fonction des variations de température, ce qui brouille l'information quantique.

L'une des premières applications de cette technique dans le monde réel sera la distribution de clés quantiques (QKD) sur de longues distances. Selon un communiqué de presse publié par Toshiba la semaine dernière, les systèmes QKD commerciaux sont actuellement limités à environ 100 à 200 km de fibres optiques. L'équipe de chercheurs de la société a déjà utilisé sa technologie pour tester la QKD sur une plus longue distance.

Le protocole s'appuie sur les réseaux quantiques pour créer des clés de sécurité impossibles à pirater, ce qui signifie que les utilisateurs peuvent échanger en toute sécurité des informations confidentielles, comme des relevés bancaires ou des dossiers médicaux, sur un canal de communication non fiable comme l'Internet.

Lors d'une communication, la QKD fonctionne en faisant en sorte que l'une des deux parties chiffre un morceau de données en codant la clé cryptographique sur des qubits et en envoyant ces qubits à l'autre partie grâce à un réseau quantique. En raison des lois de la mécanique quantique, il est toutefois impossible pour un espion d'intercepter les qubits sans laisser un signe d'écoute visible par les utilisateurs, qui peuvent alors prendre des mesures pour protéger les informations, d’après l’équipe de Toshiba.

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Contrairement à la cryptographie classique, la QKD ne repose donc pas sur la complexité mathématique de la résolution des clés de sécurité, mais s'appuie plutôt sur les lois de la physique. Cela signifie que même les ordinateurs les plus puissants seraient incapables de pirater les clés basées sur les qubits. Il est donc facile de comprendre pourquoi l'idée suscite l'intérêt d'acteurs de tous horizons, allant des institutions financières aux agences de renseignement.

Démonstration de la distribution de clés quantiques sur la fibre optique d'une longueur record de 600 km

La nouvelle technique de Toshiba visant à réduire les fluctuations dans les fibres optiques a permis aux chercheurs de réaliser la QKD sur une distance beaucoup plus grande que ce qui était possible auparavant. « C'est un résultat très enthousiasmant », a déclaré Mirko Pittaluga, chercheur chez Toshiba Europe. « Avec les nouvelles techniques que nous avons développées, d'autres extensions de la distance de communication pour la QKD sont encore possibles et nos solutions peuvent également être appliquées à d'autres protocoles et applications de communication quantique ».

En ce qui concerne la réalisation de QKD à l'aide de fibres optiques, la réalisation de 600 kilomètres de Toshiba est un record, qui, selon la société, permettra de créer des liaisons sécurisées entre des villes comme Londres, Paris, Bruxelles, Amsterdam et Dublin.

« Ces dernières années, la QKD a été utilisée pour sécuriser les réseaux métropolitains. Cette dernière avancée étend la portée maximale d'une liaison quantique, de sorte qu'il est possible de connecter des villes à travers des pays et des continents, sans utiliser de nœuds intermédiaires de confiance. Mise en œuvre avec la QKD par satellite, elle nous permettra de construire un réseau mondial de communications quantiques sécurisées », a déclaré Andrew Shields, responsable de la division des technologies quantiques chez Toshiba Europe.

D'autres groupes de recherche, cependant, se sont concentrés sur des méthodes différentes pour transmettre les qubits, ce qui a permis à la QKD de se produire sur des distances encore plus grandes. Les scientifiques chinois, par exemple, utilisent un mélange de transmissions par satellite communiquant avec des fibres optiques au sol, et ont récemment réussi à effectuer une QKD sur une distance totale de 4 600 kilomètres.

Chaque approche a ses avantages et ses inconvénients : l'utilisation de technologies satellitaires est plus coûteuse et pourrait être plus difficile à mettre à l'échelle. Mais une chose est sûre : des groupes de recherche au Royaume-Uni, en Chine et aux États-Unis expérimentent à un rythme soutenu pour que les réseaux quantiques deviennent une réalité.

Taro Shimada, vice-président directeur et directeur du numérique de Toshiba, a salué cette avancée. « Grâce à ce succès dans le domaine de la technologie quantique, Toshiba souhaite poursuivre l'expansion de son activité quantique à un rythme rapide ». « Notre vision est une plateforme de services de technologie de l'information quantique, qui permettra non seulement une communication sécurisée à l'échelle mondiale, mais aussi des technologies de transformation telles que l'informatique quantique basée sur le Cloud et la détection quantique distribuée ».

Cependant, Roger Grimes, spécialiste de la défense axée sur les données chez KnowBe4, a déclaré qu'un réseau plus sécurisé ne signifiera pas nécessairement des organisations plus sûres. « Les ransomwares ne sont pas l'énorme problème qu'ils sont aujourd'hui parce qu'ils brisent les liens réseau non sécurisés. Je n'ai pas entendu une seule personne se plaindre depuis des décennies que si seulement ils avaient une transmission réseau plus sécurisée, alors la façon dont ils ont été exploités n'aurait pas eu lieu », a-t-il déclaré.

« Les exploits d'interception au niveau de la couche réseau se produisent... mais c'est très rare. Donc, toute cette idée que si nous arrivons à un réseau quantique ou à un Internet quantique et que le monde entier célébrera cet accomplissement, et que les pirates et les logiciels malveillants seront simplement vaincus, est plus qu'un peu fantaisiste », a-t-il ajouté.

Les recherches de Toshiba ont été partiellement financées par l'Union européenne, qui manifeste un vif intérêt pour le développement des communications quantiques. Dans le même temps, le dernier plan quinquennal de la Chine accorde également une place particulière aux réseaux quantiques, tandis que les États-Unis ont récemment publié un plan directeur établissant un guide étape par étape menant à l'établissement d'un Internet quantique mondial.

Source : Toshiba

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