L’avenir de la communication quantique: Explication de la téléportation d’un photon unique

Qu’est‑ce que la téléportation quantique et comment fonctionne‑t‑elle ?

Bien qu’elle 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 que l’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 produise plus rapidement que la vitesse de la lumière, ce qui est théoriquement impossible.

Comment cela fonctionne et ce que cela implique pour l’aspect fondamental de notre réalité fait encore l’objet de vifs débats parmi les physiciens quantiques. Cependant, nous savons qu’il s’agit d’un effet quantique très réel et mesurable, qui pourrait permettre des communications parfaitement sécurisées et instantanées.

État actuel de la technologie de téléportation quantique

Percées permettant le transfert pratique de données quantiques

Des progrès récents ont permis d’exploiter l’intrication quantique et la téléportation pour des moyens pratiques de transfert de données.

Une avancée a été la découverte qu’un réseau de fibres optiques ordinaire pouvait être utilisé pour cette tâche, même lorsqu’il était mélangé avec le trafic Internet habituel. Cela ouvre la possibilité d’une télécommunication quantique pratique sans devoir construire un réseau parallèle dédié au réseau normal actuellement utilisé.

Une autre avancée est la possibilité d’interconnecter des ordinateurs quantiques. Des chercheurs d’Oxford ont utilisé des fibres optiques pour connecter des qubits et les rendre intriqués, en utilisant des photons (particules de lumière). Cela pourrait ouvrir la voie à des ordinateurs quantiques modulaires, chaque sous‑unité étant connectée ensemble.

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

Limitations et défis de la téléportation quantique

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

Cela pose souvent problème, car ce type de transfert de photons ajoute intrinsèquement du bruit au signal, ce qui peut entraîner l’échec de la télécommunication, ou du moins la rendre moins efficace.

Un autre problème est que la plupart des sources de photons ne produisent pas une paire de photons unique, ce qui complique 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, rendant incertain si les deux utilisées dans la téléportation sont réellement intriquées.

Comment l’optique non linéaire pourrait transformer les communications quantiques

Une équipe de chercheurs de l’Université de l’Illinois aurait peut‑être 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 « Faithful Quantum Teleportation via a Nanophotonic Nonlinear Bell State Analyzer ».

L’idée clé est que cette technique aide à réduire le problème de l’émission multiple de photons, rendant la méthode 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 ordinaire enseignée à l’école, où la lumière interagit directement avec un prisme, par exemple.

En optique non linéaire, la réaction du milieu traversé par la lumière dépend de la longueur d’onde, de l’intensité, de la direction et de la polarisation de la lumière.

« Le bruit multiphoton apparaît dans toutes les sources d’intrication réalistes, et c’est un problème sérieux pour les réseaux quantiques.

L’avantage de l’optique non linéaire est qu’elle peut atténuer l’effet du bruit multiphoton grâce à la physique sous‑jacente, rendant possible le travail avec des sources d’intrication imparfaites.

Elizabeth Goldschmidt – professeure de physique de l’Illinois

Les composants optiques non linéaires font que des photons de fréquences différentes se combinent et créent de nouveaux photons à de nouvelles fréquences. Dans ce cas précis, la « génération de somme de fréquences » (SFG) a été utilisée.

Source: EKSPLA

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

Grâce à la fusion de photons qui se produit lors du SFG, seules les fréquences de ces photons spécifiques peuvent être utilisées, réduisant considérablement le bruit provenant de photons multiples qui se produit avec l’optique linéaire.

Source: SciTechDaily

Ce n’est pas une idée nouvelle, mais le problème jusqu’à présent était que réaliser le SFG était si difficile qu’il n’y avait jamais assez de photons pour constituer un moyen pratique de transfert d’informations.

« Les chercheurs connaissent ce phénomène depuis longtemps, mais il n’a pas été pleinement exploré en raison de la faible probabilité de succès du SFG.

Par le passé, le meilleur résultat était 1 sur 100 millions. Notre réalisation consiste à obtenir un facteur d’augmentation de 10 000 de l’efficacité de conversion, soit 1 sur 10 000, grâce à une plateforme nanophotonique.

Kejie Fang – Professeur associé d’ingénierie électrique et informatique

Nouveaux matériaux rendant l’optique quantique non linéaire réalisable

Cette amélioration de l’efficacité par un facteur 10 000 rend soudainement l’optique non linéaire une option viable pour produire les photons qui seront utilisés pour transférer des données via la mesure de leur intrication.

Elle a été obtenue grâce à un matériau indium‑gallium‑phosphoryl développé par les chercheurs.

« Notre système non linéaire transmet l’information quantique avec une fidélité de 94 %, comparée à la limite théorique de 33 % des systèmes utilisant des composants optiques linéaires, »

Kejie Fang – Professeur associé d’ingénierie électrique et informatique

Quelles sont les prochaines étapes pour la téléportation quantique et le réseautage ?

C’est pour l’instant un progrès très théorique, dans le sens où il change complètement la façon dont les chercheurs devront construire les systèmes de télécommunication quantique à l’avenir, étant donné que tous les protocoles de réseau quantique actuels (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 via des réseaux de fibres optiques classiques, cela pourrait changer radicalement la fiabilité et l’efficacité de cette méthode de télécommunication, rapprochant les ordinateurs quantiques interconnectés bien plus que ce que l’on pensait possible.

Investir dans l’informatique quantique à ions piégés

Alors que ces avancées en communication quantique deviennent de plus en plus viables, des entreprises comme IonQ (IONQ ) se positionnent pour commercialiser la technologie.

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

Les plateformes d’informatique quantique d’IonQ sont capables de produire un résultat avec une fidélité de 99,9 %. Elles utilisent actuellement une chaîne de 64 ions baryum, produisant un qubit algorithmique (AQ) de 36. L’organisation en chaîne permet un calcul beaucoup plus rapide que d’autres conceptions d’ions piégés sans perdre 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 réside dans les réseaux quantiques, utilisant des interconnexions photoniques, permettant des clusters quantiques et faisant progresser les capacités d’Internet quantique.

Les réseaux quantiques devraient faciliter des communications hautement sécurisées et, en fin de compte, permettre le calcul quantique distribué. Étant donné la rapidité d’évolution du domaine, l’expertise et les brevets sur ce sujet pourraient s’avérer cruciaux pour l’avenir d’IonQ.

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

Elle collabore également avec Imec sur les circuits photoniques intégrés et la technologie de piégeage d’ions à l’échelle du puce afin d’augmenter le nombre de qubits, la taille du système et les coûts de l’entreprise.

Au lieu de développer son propre SDK (Software Development Kit), la société soutient simultanément tous les principaux SDK, et s’associe à de nombreuses entreprises leaders pour développer de nouvelles applications d’informatique quantique.

Source: IonQ

En collaboration avec son concurrent Quantinuum, filiale de Honeywell (HON ), IonQ se rapproche du développement d’ordinateurs quantiques commerciaux, en se concentrant sur des systèmes à ions piégés à haute fidélité et à nombre de qubits réduit.

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

Son succès précoce lui a permis de bâtir un solide réseau de partenariats avec d’autres innovateurs en informatique quantique afin de faire progresser cette technologie, avec un recent re‑focus sur les ordinateurs quantiques en réseau.

À mesure que la télécommunication par intrication quantique devient de plus en plus fiable, la combinaison de nombreux ordinateurs quantiques à ions piégés à haute fiabilité pourrait constituer une option solide pour la première application commerciale de cette technologie.

Actualités boursières d’IonQ et dernières évolutions

Référence de l’étude :

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