Comprendre la communication quantique

Communication d’information dans un dispositif quantique

Commençons par la communication d’informations. Qu’est-ce que la « téléportation » et comment fonctionne la transmission quantique d’un message ?

Eleni Diamanti : Il faut tout d’abord créer une ressource d’intrication entre les personnes qui souhaitent communiquer. Des photons intriqués sont envoyés par des canaux optiques.

Si la distance est trop longue, il faut ajouter une autre solution – un répéteur quantique.

Le répéteur inclut une mesure intermédiaire qui permet d’intriquer deux photons distants. On appelle cela un « transfert d’intrication ». On peut utiliser plusieurs répéteurs quantiques dans un lien de communication.

« Les protocoles ont en général besoin d’une communication classique. »

Une fois que les deux parties ont accès à des photons intriqués arrive la téléportation. Je sais que cela fait très science-fiction, mais cela n’a rien d’un roman.

Si la première partie (que l’on appellera Alice) souhaite envoyer l’information portée par un qubit (qui est donc un porteur d’information quantique) à l’autre partie (que l’on appellera Bob), le protocole de téléportation quantique nous dit que si les deux parties ont accès à des photons intriqués, il suffira à Alice de prendre le qubit qu’elle souhaite communiquer, de faire une mesure spécifique – « une mesure d’état de Bell » – entre ce qubit et sa partie de la paire de qubits intriqués, puis, par un canal classique, de communiquer au receveur (Bob) les résultats de sa mesure.

De son côté, Bob prend alors son qubit de la paire intriquée, il fait une certaine opération (déterminée par les résultats envoyés par Alice) et il aura un qubit avec la même information que le qubit d’Alice.

Dans un transfert d’information quantique, il y a donc à un moment un transfert « classique » d’informations en plus de la téléportation ?

Eleni Diamanti : Exactement. Les protocoles ont en général besoin d’une communication classique.

« Il s’agit d’un outil pour transférer de l’information quantique dans le cadre d’un système quantique complet. »

Si l’on mesure l’un des deux photons intriqués, l’un et l’autre vont être projetés sur des états déterminés. Mais si l’on ne sait pas comment on les a mesurés et les résultats de ces mesures, on ne pourra pas utiliser cela. Il faut communiquer les corrélations entre ces deux particules. Ce sont les corrélations qui comptent pour n’importe quelle application. Mais pour avoir des corrélations, il faut que l’on puisse mesurer les deux particules et surtout qu’on sache comment on les a mesurées.

Si on doit repasser par un canal « classique », ce type de communication a-t-il un avantage (hors sécurisation) par rapport à la fibre optique ou aux autres canaux « classiques » pour envoyer un message non quantique ?

Eleni Diamanti : Il s’agit vraiment d’un outil pour transférer de l’information quantique dans le cadre d’un système quantique complet. D’ailleurs, la téléportation elle-même n’est pas un avantage, c’est un protocole. C’est une ressource. L’avantage vient de ce que vous faites après de cette information avec des dispositifs quantiques.

Par exemple, si vous avez deux processeurs quantiques en réseau, cela permet de faire des calculs quantiques répartis (distributed quantum computing). Et ça, ça peut être un gros avantage a posteriori de la communication quantique.

La nécessité de passer par un canal classique bat aussi en brèche les scénarios de science-fiction qui imaginent que la communication quantique permettra – avec l’intrication – de communiquer plus vite que la lumière ?

Eleni Diamanti : Oui. On est toujours limité fondamentalement par les lois de la physique ! Il faut bien comprendre cela.

« Il n’y a pas de communication supraluminale ! »

Depuis le Prix Nobel d’Alain Aspect, on parle effectivement beaucoup d’intrication. Beaucoup de gens la voient comme « une communication instantanée ». Mais il n’y a pas de communication supraluminale. La violation des inégalités de Bell ne veut pas dire que l’on peut aller plus vite que la lumière. Sinon ça se saurait (rire).

Peut-on préciser ce point ? Car, en théorie, si l’on a deux photons intriqués en état de superposition – disons un sur Mars et l’autre sur la Terre – et que l’on réduit le paquet d’ondes du photon sur Mars, il en sera de même, instantanément, sur Terre, non ?

Eleni Diamanti : Cela ne se passe pas comme cela. Il n’y a aucun transfert d’information instantanée pour faire quoi que ce soit. Le récepteur doit faire lui aussi la mesure pour profiter de ces corrélations. Il n’y a pas de miracles. Et pour exploiter ces corrélations, il faut de la communication tout à fait classique, qui intervient dans un monde où la vitesse maximale est celle de la lumière.

Et autre point important, on ne peut pas prédéterminer l’état projeté. Il est complètement aléatoire. C’est une autre idée fausse qui revient souvent [N.D.R. : que l’on peut utiliser l’intrication pour coder un message de façon instantanée].

Pour résumer, afin d’établir leurs corrélations, les deux parties doivent comparer leurs mesures (ce qui se fait à une vitesse qui ne peut pas dépasser celle de la lumière). Et on ne peut pas forcer une mesure… et donc dans ce sens on ne peut pas communiquer de l’information, on peut juste établir des corrélations, mais le résultat est toujours aléatoire.

Sécurisation quantique de communications non quantiques

Un autre avantage de la communication quantique est la sécurisation.

Eleni Diamanti : Oui. Par exemple, pour sécuriser les communications classiques par cryptographie quantique, mais la communication quantique peut aussi servir à utiliser de façon privée et sécurisée un serveur (ou processeur quantique) afin d’effectuer un calcul.

Comment fonctionne la cryptographie quantique ?

Eleni Diamanti : Disons que, à présent, Alice et Bob sont deux systèmes qui souhaitent échanger un message secret. Si Alice et Bob partagent des paires de photons intriqués et qu’ils mesurent ces photons, ils peuvent créer une « clé secrète privée », c’est-à-dire une série de bits 0 et 1 parfaitement aléatoire et connue seulement d’eux-mêmes, en suivant un protocole dit de distribution quantique de clés.

Ils peuvent ensuite utiliser cette clé secrète en la combinant avec un système de chiffrement pour partager un message sur un canal classique [N.D.R. : qui peut aussi servir pour l’établissement des corrélations entre les deux parties pour la création de la clé].

On rentre là dans le domaine assez complexe de la distribution quantique des clés. Mais ce qu’il faut comprendre, c’est qu’il y a la création et le partage d’une clé secrète privée par un moyen quantique, et que tout ce qui se passe après, c’est de la communication classique. Il n’y a pas de sécurisation directe. Ce que permet la physique quantique et la communication quantique, c’est de créer cette clé.

Ce n’est pas le message qui est transmis de manière quantique, c’est « seulement » la clé ?

Eleni Diamanti : Exactement. La physique quantique nous permet d’être sûrs que la clé créée n’a pas été interceptée par un espion. Après, on passe dans le domaine classique du chiffrement qui utilise des clés privées.

« Il y a création et partage d’une clé secrète privée par un moyen quantique. Tout ce qui se passe après, c’est de la communication classique. »

Par exemple on peut faire un One Time Pad (le protocole de chiffrement par masque jetable).

Dans ce cas, si Alice veut envoyer un message à Bob de manière complètement sécurisée, elle combine chaque bit de son message secret avec un bit de la clé en utilisant une opération logique XOR. Il a été mathématiquement prouvé – si la clé est parfaitement aléatoire (c’est très important et cela tombe bien, c’est ce que permet la mécanique quantique), si elle est utilisée une seule fois, et si elle a la même longueur que le message – qu’un espion (peu importe la puissance de calcul dont il dispose) ne pourra jamais accéder au message. C’est la méthode de chiffrement la plus puissante.

En revanche, c’est un protocole extrêmement contraignant… C’est pour cela qu’il n’est pas utilisé de façon générale dans la vraie vie.

Cela pourrait-il changer avec les clés secrètes « quantiques » ?

Eleni Diamanti : Cela dépendra des performances atteintes et des garanties de sécurité nécessaire selon l’application visée. D’autres protocoles de chiffrement dits « symétriques », comme AES, sont utilisés plus fréquemment. L’idée, pour augmenter encore la sécurité du protocole, est là aussi de fournir à ces techniques de chiffrement des clés sécurisées par le quantique.

À noter qu’il est également possible d’utiliser des protocoles basés sur la superposition quantique, mais sans intrication, par exemple le BB84, un des plus anciens et certainement le plus documenté.

C’est ce type de protocole que développera par exemple dans un premier temps l’ESA dans son plan Eagle-1, dont le but est de faire de la distribution quantique des clés à grande échelle par satellite ; même si l’agence spatiale européenne pourrait aussi envisager des protocoles intriqués dans les prochaines années pour des réseaux et des applications plus avancés.

Le défi des grandes distances et les répéteurs quantiques

On peut donc envoyer des particules intriquées par satellites ?

Eleni Diamanti : Oui. Les Chinois l’ont fait avec le satellite Micius (Mozi)[1]. Ce sont les seuls pour l’instant. Ils ont mis une source de photons intriqués dans un satellite qui les a envoyés sur deux stations optiques au sol, distantes de 1 120 kilomètres. Ils ont ainsi fait de la distribution quantique de clés.

Il me semblait que l’envoi sur de grandes distances (plusieurs centaines de kilomètres) était encore un défi. Ce n’est plus le cas ?

Eleni Diamanti : Si, les très longues distances restent un défi.

Dans l’espace, si l’on utilise des satellites en orbite basse – comme aujourd’hui –, les deux stations sol qui réceptionnent les photons intriqués doivent être visibles au même moment par le satellite : cela restreint donc la distance possible des deux sites.

Et sur Terre, les pertes sont trop fortes sur de très longues distances. Il faudra utiliser des répéteurs quantiques pour s’affranchir de cette limitation.

Comment fonctionne un répéteur quantique ? Duplique-t-il une particule comme un répéteur classique duplique un signal ? Existe-t-il des technologies déjà opérationnelles ?

Eleni Diamanti : Non, un répéteur quantique ne duplique pas la particule et ne peut pas amplifier non plus un signal quantique comme le ferait un amplificateur classique habituellement utilisé dans ce contexte, car cela introduit du bruit. Il permet de transférer l’information par échange d’intrication, le « transfert d’intrication » dont je parlais tout à l’heure.

Quant à la technologie, elle n’est pas encore disponible, mais elle se développe rapidement.

Cela étant, la Chine a donc tout de même réussi l’exploit d’envoyer deux photons intriqués, à plus de 1 000 kilomètres de distance depuis l’espace ! Comment cela s’est-il passé ?

Eleni Diamanti : Les photons intriqués dans Micius, puis envoyés vers la Terre, ont traversé l’atmosphère, et les mesures au sol ont bien montré la signature de l’intrication. On en perd, évidemment [N.D.R. : Mozi a envoyé 6 millions de paires de photons intriquées, environ 1 million de paires ont été réceptionnées par les deux stations].

« La décohérence est un vrai problème. Mais c’est surtout un problème pour les processeurs quantiques. »

Et si on a des nuages épais, ce n’est plus possible. Et les Chinois ont aussi fait leur expérience de nuit. Mais ça, c’est un problème plus global qui concerne toutes les formes de communication optique, de plus en plus prisées dans le spatial. Des solutions possibles sont à l’étude, mais elles impliquent divers compromis.

Toutefois, les particules en état de superposition ou intriquées sont plus robustes que ce que l’on pense. Les photons en tout cas !

Si je voulais faire une blague, je dirais que « le photon est sacrément costaud ». La décohérence ne lui fait pas peur !

Eleni Diamanti : C’est pour ça qu’on l’aime beaucoup pour la communication (sourire). Mais attention tout de même, on n’envoie pas de la lumière classique. Il faut envoyer de la lumière quantique.

En fait, pour rebondir sur votre remarque, la décohérence est un vrai problème. Mais c’est surtout un problème pour les processeurs quantiques qui ont besoin d’intriquer des milliers de qubits et de les garder dans un état intriqué afin de faire des calculs suffisamment intéressants. Ce n’est pas la même chose qu’une seule paire de qubits intriqués à envoyer et à mesurer. C’est plus facile à faire.

Après, si on ajoute une étape de stockage comme ce que nous faisons avec Welinq (collecter l’information, la garder, la récupérer, la synchroniser) cela devient tout de suite plus compliqué (et intéressant !). Mais la décohérence reste plus un problème pour les qubits des processeurs.

Ordinateur quantique, supercalculateurs, simulateurs (et émulateurs)

Un processeur qui utiliserait des photons aura-t-il le même problème de décohérence ?

Eleni Diamanti : Tout à fait. Le processeur quantique photonique existe. C’est ce que fait Quandela en France par exemple, ou PsiQuantum aux États-Unis qui a levé des centaines de millions de dollars. Ils ont le même problème de décohérence parce que cela devient compliqué de garder dans un environnement contrôlé un grand nombre de qubits, peu importe la modalité [N.D.R. : le type de particule].

Vous parlez de « processeurs quantiques », mais pas d’ordinateur quantique. Est-ce parce que l’ordinateur quantique est (aujourd’hui) une promesse, voire (surtout) du marketing ?

Eleni Diamanti : Nous avons aujourd’hui des processeurs quantiques. Je n’appellerais pas encore cela un ordinateur. Mais il existe bien des processeurs quantiques dits « analogues » – des simulateurs quantiques – et on commence à avoir des processeurs qui font du vrai calcul. Ils sont encore de tailles modestes. Ils ne peuvent pas, en l’état, accélérer des algorithmes comme on l’espère pour le futur sur certains problèmes connus. En revanche, leurs tailles grossissent de plus en plus.

Nous en sommes encore au tout début de l’exploration de ce qu’il est possible de faire avec un processeur quantique de taille « modeste » et avec des qubits bruités (sans correction d’erreurs), mais on commence doucement à pouvoir montrer un certain avantage sur des problèmes spécifiques d’optimisation.

Certains analystes disent que nous en sommes à la phase du transistor quantique plutôt qu’aux processeurs. Est-ce juste ?

Eleni Diamanti : On peut aussi le dire comme cela.

« Nous en sommes au tout début de l’exploration de ce qu’il est possible de faire avec un processeur quantique de taille “modeste” et des qubits bruités. »

À quel horizon peut-on espérer un « vrai » processeur quantique ou un ordinateur utilisable par des entreprises ou des organisations ?

Eleni Diamanti : Il est très difficile de donner un horizon. Je dirais : pas moins de 10 ans pour un ordinateur quantique tolérant aux fautes. Mais l’espoir est que les entreprises et les organisations pourront profiter de cette technologie bien avant.

On va voir sans doute de plus en plus d’applications en optimisation. En fait, certains secteurs peuvent déjà accélérer leurs algorithmes. Et même si cette accélération n’est pas exponentielle, ils sont déjà contents. Je pense par exemple à la démonstration du Crédit Agricole qui a réussi à optimiser certains de ses algorithmes [N.D.R. : de prédiction de détérioration du risque de crédit] avec Pasqal [N.D.R. : la startup du prix Nobel Alain Aspect].

On voit aussi arriver des processeurs quantiques au sein des centres de calculs hautes performances (HPC) pour accélérer certaines parties des calculs. Cette intégration dans les supercalculateurs est une approche suivie partout dans le monde, y compris en Europe.

Vous faites une distinction entre le processeur quantique « au sens académique » qui fait du calcul, et le processeur « analogique » qui fait de la simulation quantique. Pouvez-vous nous expliquer cette différence ?

Eleni Diamanti : Un simulateur quantique est un cas spécifique de processeur quantique. Il utilise des systèmes physiques quantiques pour simuler des systèmes physiques complexes.

Ce sont deux dispositifs quantiques qu’il faut bien faire attention de ne pas confondre avec un « émulateur » quantique.

Justement, on entend beaucoup parler « d’émulateur quantique ». Comment résumeriez-vous la différence avec un simulateur (ou un processeur) quantique ?

Eleni Diamanti : Ce n’est pas du tout la même chose. Un émulateur n’a rien de quantique. C’est un supercalculateur qui mimique un processeur quantique de quelques dizaines de qubits.

Un simulateur quantique est un dispositif réellement quantique. Un émulateur est un dispositif « classique » qui essaye de dire comment se comporte un petit processeur quantique. Mais un émulateur ne pourra jamais donner une quelconque accélération.

Eleni Diamanti est directrice de recherche CNRS au Laboratoire d’Informatique de Sorbonne Université (LIP6). Elle est co-fondatrice et conseillère scientifique de Welinq, et coordinatrice du Paris Centre for Quantum Technologies. Elle est également membre du comité de conseil stratégique du programme européen de soutien à la recherche sur les technologies quantiques QuantERA.