L'avenir de la communication quantique : la téléportation à photon unique expliquée

Qu'est-ce que la téléportation quantique et comment fonctionne-t-elle ?

Bien que cela ressemble à un concept fantaisiste tiré d’un film de science-fiction, la téléportation quantique est en réalité un phénomène réel étudié depuis des décennies.

Cela se produit lorsque deux particules différentes sont « appariées/liées » ensemble, ce qu’on appelle l’intrication quantique.

Dans ce cas, lorsque deux particules sont liées, quelle que soit la distance qui les sépare, elles échangent des informations sur de grandes distances, sans les transporter physiquement. Dans certains cas, il semble même que l'échange d'informations se fasse à une vitesse supérieure à celle de la lumière, ce qui est théoriquement impossible.

Le fonctionnement de ce phénomène et ses implications pour l'aspect fondamental de notre réalité font encore l'objet de débats houleux parmi les physiciens quantiques. Cependant, nous savons qu'il s'agit d'un effet quantique bien réel et mesurable, qui pourrait permettre des communications parfaitement sécurisées et instantanées.

L'état actuel de la technologie de téléportation quantique

Des avancées permettant un transfert pratique de données quantiques

Des progrès récents ont été réalisés pour exploiter l’intrication quantique et la téléportation comme moyens pratiques de transfert de données.

Une avancée a été la découverte qu'un réseau de fibre optique ordinaire pourrait être utilisé pour la tâche, même lorsqu'il est mélangé au trafic Internet normalCela ouvre la possibilité d’une télécommunication quantique pratique sans avoir à construire un réseau parallèle dédié à celui normalement utilisé actuellement.

Une autre avancée est la possibilité de mettre en réseau des ordinateurs quantiques. Des chercheurs d'Oxford ont utilisé des fibres optiques pour connecter des qubits ensemble et les enchevêtrer, en utilisant des photons (particules de lumière).Cela pourrait ouvrir la voie à des ordinateurs quantiques modulaires, où chaque sous-unité serait connectée ensemble.

Enfin, le QNodeOS, un système d'exploitation pour les calculs quantiques, fournirait la base logicielle pour faire fonctionner un tel réseau d'ordinateurs quantiques.

Limites et défis de la téléportation quantique

La plupart des dispositifs de téléportation quantique actuellement envisagés sont de type « linéaire », où les photons sont directement transférés du point A au point B.

Cela est souvent problématique, car ce type de transfert de photons ajoute intrinsèquement du bruit au signal, ce qui peut potentiellement faire échouer la télécommunication, ou du moins la rendre moins efficace.

Un autre problème est que la plupart des sources de photons ne produisent pas une seule paire de photons, ce qui rend complexe la détermination de l’intrication.

En particulier, il est courant que les sources d’intrication produisent plus d’une paire de photons à la fois, ce qui rend difficile de savoir si les deux utilisés dans la téléportation sont réellement intriqués.

Comment l'optique non linéaire pourrait transformer les communications quantiques

Une équipe de chercheurs de l’Université de l’Illinois pourrait avoir créé une nouvelle source de photons qui améliorerait radicalement les performances des communications basées sur la téléportation quantique.

Ils ont publié leurs résultats dans Physical Review Letters¹, sous le titre "Téléportation quantique fidèle via un analyseur d'état de cloche non linéaire nanophotonique ».

L’idée clé est que cette technique permet de réduire le problème de l’émission de photons multiples, rendant la technique plus fiable grâce aux principes sous-jacents de l’optique non linéaire.

Comprendre l'optique non linéaire dans la technologie quantique

L'optique linéaire est la science optique courante enseignée à l'école, où la lumière interagit directement avec un prisme par exemple.

En optique non linéaire, la réaction du milieu dans lequel passe la lumière dépend de la longueur d'onde, de l'intensité, de la direction et de la polarisation de la lumière.

« Le bruit multiphotonique se produit dans toutes les sources d'intrication réalistes, et c'est un problème sérieux pour les réseaux quantiques.

L’attrait de l’optique non linéaire est qu’elle peut atténuer l’effet du bruit multiphotonique grâce à la physique sous-jacente, ce qui permet de travailler avec des sources d’intrication imparfaites.

Elisabeth Goldschmidt - professeur de physique de l'Illinois

Les composants optiques non linéaires provoquent la combinaison de photons de fréquences différentes, créant ainsi de nouveaux photons à des fréquences différentes. Dans ce cas précis, la « génération de fréquences somme » (SFG) a été utilisée.

Source: EKSPLA

Fusion de photons par génération de fréquences de somme (SFG)

Grâce à la fusion des photons se produisant pendant le SFG, seules les fréquences de ces photons spécifiques peuvent être utilisées, réduisant considérablement le bruit provenant de plusieurs photons se produisant lors de l'utilisation d'optiques linéaires.

Source: SciTechQuotidien

Ce n’est pas une idée nouvelle, mais le problème jusqu’à présent était que la mise en œuvre du SFG était si difficile qu’il n’y avait jamais assez de photons pour constituer un moyen pratique de transférer des informations.

« Les chercheurs le savent depuis longtemps, mais cette méthode n’a pas été pleinement explorée en raison de la faible probabilité de réussite du SFG.

Par le passé, le meilleur résultat obtenu était de 1 sur 100 millions. Notre réussite consiste à multiplier par 10,000 1 le rendement de conversion, le portant à 10,000 sur XNUMX XNUMX, grâce à une plateforme nanophotonique.

Kejie Fang – Professeur agrégé de génie électrique et informatique

De nouveaux matériaux rendent possible l'optique quantique non linéaire

Cette augmentation de 10,000 XNUMX fois de l’efficacité fait soudainement de l’optique non linéaire une option viable pour produire les photons qui seront utilisés pour transférer des données grâce à la mesure de leur intrication.

Cela a été réalisé grâce à un matériau indium-gallium-phosphoryle développé par les chercheurs.

« Notre système non linéaire transmet des informations quantiques avec une fidélité de 94 %, contre une limite théorique de 33 % pour les systèmes utilisant des composants optiques linéaires. »

Kejie Fang – Professeur agrégé de génie électrique et informatique

Quelle est la prochaine étape pour la téléportation et la mise en réseau quantiques ?

Il s’agit pour l’instant d’un progrès très théorique, dans le sens où il change complètement la façon dont les chercheurs devront construire des systèmes de télécommunication quantique à l’avenir, car actuellement tous les protocoles de réseau quantique (y compris la téléportation quantique et l’échange d’intrication) utilisent une conception optique linéaire.

Combiné aux progrès réalisés dans le transfert de photons intriqués dans les réseaux de fibres optiques classiques, cela pourrait radicalement changer la fiabilité et l'efficacité de cette méthode de télécommunication, rapprochant les ordinateurs quantiques interconnectés beaucoup plus que ce que l'on pensait auparavant possible.

Investir dans l'informatique quantique à ions piégés

À mesure que ces avancées en matière de communication quantique deviennent de plus en plus viables, des entreprises comme IonQ (IONQ -4.58%) se positionnent pour commercialiser la technologie.

IonQ est une société d'informatique quantique utilisant la technologie des ions piégés, fondée par des scientifiques pionniers dans le domaine de l'Université du Maryland et de l'Université Duke. Elle a été cotée en bourse au NYSE en 2021.

Les plateformes de calcul quantique IonQ sont capables de produire un résultat fidèle à 99.9 %. Elles utilisent actuellement une chaîne de 64 ions de baryum, produisant un qubit algorithmique (AQ) de 36. L'organisation de la chaîne permet un calcul beaucoup plus rapide que d'autres conceptions à ions piégés sans perte de fidélité.

Source: IonQ

IonQ a acquis Qubitekk en janvier 2025, ajoutant à ses opérations l'équipe de l'entreprise et 118 brevets à IonQ. La spécialité de Qubitekk est les réseaux quantiques, utilisant des interconnexions photoniques, permettant la création de clusters quantiques et faisant progresser les capacités de l'Internet quantique.

Les réseaux quantiques devraient faciliter des communications hautement sécurisées et, à terme, permettre l'informatique quantique distribuée. Compte tenu de la rapidité avec laquelle ce domaine évolue, l'expertise et les PI sur ce sujet pourraient s'avérer cruciales pour l'avenir d'IonQ.

IonQ développe également un partenariat avec Photonique NKT (NKT.CO) pour aider à développer de futurs ordinateurs quantiques prêts pour les centres de données.

Il collabore également avec Imec sur les circuits intégrés photoniques et la technologie de piège à ions à l'échelle de la puce pour augmenter le nombre de qubits, la taille et les coûts du système de l'entreprise.

Au lieu de développer son propre SDK (Software Development Kit), l'entreprise prend en charge tous les principaux SDK à la fois et s'associe à de nombreuses entreprises leaders pour développer de nouvelles applications d'informatique quantique.

Source: IonQ

Avec son concurrent Quantinuum, filiale de Honeywell (HON + 1.33%)IonQ est plus proche du développement d'ordinateurs quantiques commerciaux, en se concentrant sur des systèmes à ions piégés haute fidélité et à faible nombre de qubits.

IonQ est l'action la plus proche d'une action purement informatique quantique pour les investisseurs qui sont moins intéressés par les activités d'autres leaders comme Google, Intel, IBM ou Honeywell.

Ses premiers succès lui ont permis de construire un solide réseau de partenariats avec d’autres innovateurs en informatique quantique pour continuer à faire avancer cette technologie, avec un recentrage récent sur les ordinateurs quantiques en réseau.

Alors que les télécommunications à intrication quantique deviennent de plus en plus fiables, la combinaison de nombreux ordinateurs quantiques à ions piégés de haute fiabilité pourrait être une option solide pour la première application commerciale de cette technologie.

Actualités et derniers développements concernant l'action IonQ

Référence de l'étude :

^{1. Josué Akin, Yunlei Zhao, Paul G. Kwiat, Elizabeth A. Goldschmidt et Kejie Fang.(2025) Téléportation quantique fidèle via un Analyseur d'état de cloche non linéaire nanophotonique. Physical Review Letters134, 160802 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.160802}