Après mon premier article sur les ordinateurs quantiques, j'explore et tente maintenant d'expliquer le monde tout aussi fantastique et stimulant des réseaux quantiques. L'informatique quantique s'accompagne de réseaux quantiques, et la meilleure technologie dont nous disposons pour cela est la fibre optique. Même si les ordinateurs quantiques sont proches de la magie absolue, ils ont encore besoin de réseaux pour communiquer et, pour la plupart, nous ne regardons pas le cuivre. La fibre optique est la chose, mais il y a un défi étrange à envoyer de minuscules petits photons tout seuls. Et même si l'avenir semble entièrement quantique, vous pouvez parier qu'il y aura encore beaucoup d'anciennes technologies qui fonctionneront en parallèle pendant des années, donc s'assurer qu'elles peuvent toutes coexister et rester en sécurité sera l'un des plus grands défis pour les administrateurs système.
Internet tel que nous le connaissons
À l'adolescence, moi et certains de mes amis sommes allés aux États-Unis en tant qu'étudiants d'échange. Alors que nous améliorons nos compétences en anglais, nous avons également noté la commodité de pouvoir communiquer en privé entre nous en passant à notre langue maternelle, le suédois. Nous pouvions dire toutes sortes de sornettes dans les lieux publics, et personne ne comprendrait. C'était, jusqu'au jour où une dame plus âgée nous a regardés avec des yeux sévères et nous a dit dans un suédois parfait que nous devrions avoir honte de nous-mêmes et faire attention à notre langue. Rougissant et se sentant vraiment idiots, nous avons marmonné nos excuses et nous sommes partis rapidement.
Internet est similaire en ce sens que, la plupart du temps, nous pouvons avoir des conversations privées et sécurisées; cependant, il y a toujours le risque que cette communication soit interceptée. Les informations peuvent être volées ou déformées, il y a donc de nombreuses bonnes raisons pour lesquelles les équipes de sécurité surveillent tout le monde au moindre signe de vulnérabilité, surtout si vous travaillez avec des informations très médiatisées ou de grande valeur.
Internet, tel que nous le connaissons, regorge de protocoles de sécurité et d'algorithmes de cryptage pour protéger nos conversations et toutes les données que nous générons. Mais avec les forces du mal dans leur ensemble, il existe un risque constant qu'elles parviennent à déchiffrer, voler, copier, falsifier ou exploiter d'une autre manière nos précieuses informations. S'ils ne peuvent pas le casser, ils peuvent le bloquer en lançant toutes sortes de logiciels malveillants créatifs et d'attaques pour inonder les liens de communication.
Les ordinateurs quantiques communiquent différemment.
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Un réseau intriqué quantique
L'intrication quantique se produit lorsque deux particules connectées sont placées à des endroits différents, où l'émetteur a une partie et le récepteur a l'autre. Les particules intriquées adopteront simultanément la position opposée de l'autre particule intriquée. De cette façon, vous savez immédiatement ce que fait l'autre côté, et la chose étrange est qu'à ce stade, il n'y a aucune communication à intercepter.
À l'Université de Bristol, une équipe de scientifiques internationaux a créé un réseau quantique qui, une fois étendu, a "le potentiel de servir des millions d'utilisateurs". Cela semble très ambitieux, et c'est un gros problème car, jusqu'à présent (lorsque cet article a été écrit), les réseaux intriqués quantiques se composaient principalement de deux nœuds. Les étendre avec plus de nœuds n'est pas facile, car cela nécessite une multitude de composants coûteux qui, à leur tour, nécessitent un soutien financier important. L'équipe de Bristol a créé un réseau quantique comportant huit nœuds et utilisant huit récepteurs.
Considérant que les méthodes précédentes nécessitaient 56 boîtes pour s'occuper de huit nœuds, c'est une énorme percée. De plus, le fait qu'ils utilisent la technologie existante est encore mieux, mais le défi reste la distance, sur laquelle je reviendrai plus tard.
Au revoir, cuivre
Les informations d'un réseau quantique peuvent être transférées dans la fibre optique, ce qui est bien sûr très bien car il y en a beaucoup et d'autres sont en cours de déploiement. Les photons à l'état quantique qui voyagent le long de la fibre optique sont très sensibles aux interférences, ce qui signifie que l'état quantique est facilement perdu. Les photons sont si minuscules et faibles qu'après une certaine distance, ils sont absorbés par le câble à fibre optique. Il existe de nombreuses recherches sur la manière de relever ce défi, et des progrès sont réalisés, mais jusqu'à présent, uniquement à des températures proches du zéro absolu.
Pas gourmand en énergie
J'ai déjà écrit sur les ordinateurs quantiques et dit qu'ils sont gros, encombrants et consomment beaucoup d'énergie. Le fait est que l'énergie est nécessaire pour créer les circonstances spéciales nécessaires au démarrage de la physique quantique. Cela inclut des choses comme le vide, des températures proches du zéro absolu et un environnement absolument exempt d'interférences. Les photons et les électrons réels qui "font quantique" ont besoin de quantités minuscules de puissance, donc une fois que l'état quantique peut fonctionner de manière fiable à température ambiante, nous pourrions voir des ordinateurs beaucoup plus petits qui nécessitent très peu d'énergie.
Répéteurs quantiques
Comme déjà mentionné, les réseaux de fibres optiques actuels ont le fâcheux talent d'absorber les photons transmis, et cela se produit en quelques kilomètres seulement. Le point crucial est que l'intrication quantique est un état très fragile, et il est difficile à maintenir. Même la plus petite perturbation ou interaction entre l'un des photons et tout ce qui l'entoure rompra le lien et entrera dans les répéteurs. Cependant, les répéteurs actuels ont des limites et des vulnérabilités et deviennent complexes à maintenir une fois que vous commencez à évoluer.
Passer le flambeau
Un répéteur quantique mesurera les propriétés quantiques des photons arrivant. Le répéteur transfère ensuite les propriétés quantiques à de nouveaux photons et les envoie sur la jambe suivante. Considérant qu'il pourrait facilement y avoir 100 000 photons par seconde, le répéteur sera un endroit très fréquenté.
Ce processus de relais permet de propager l'intrication sur des distances beaucoup plus longues, mais dans mon monde simple, je me demande simplement comment nous pouvons nous assurer que les bonnes propriétés quantiques sont transférées. Il est possible que cela soit trié par intrication quantique, où le destinataire sait déjà à quoi s'attendre.
Si nous mettons cela à l'échelle, nous aurons besoin d'une surveillance sérieuse; non seulement pour suivre les erreurs, mais aussi pour les corriger. Le domaine des mathématiques dédié à la physique quantique et à ses particularités ne cesse de progresser. En fait, il y a tellement de progrès que je dois arrêter de lire des articles de recherche, sinon je ne finirai jamais cet article. C'est dire à quelle vitesse les choses bougent dans ce domaine.
Quantique à distance
Une équipe scientifique de l'Université nationale de Yokohama a mis au point une nouvelle méthode d'intrication des photons et a réussi à envoyer ces photons sur plus de 10 kilomètres à travers la fibre optique. Ils ont également utilisé un seul répéteur et, ce faisant, ont atteint une distance totale de 20 kilomètres.
Au moment d'écrire ces lignes, la distance la plus éloignée que quelqu'un ait réussi à maintenir l'intrication quantique était de 83,7 kilomètres, accomplie cette année par des scientifiques du Laboratoire national d'Argonne du Département américain de l'énergie et de l'Université de Chicago. Mais je suis sûr que nous verrons ce record battu plusieurs fois dans un proche avenir.
Garder un secret
Les qubits qui sont transportés à travers le réseau quantique ont une caractéristique très spécifique et unique appelée "l'effet observateur", ce qui signifie qu'ils sont impossibles à interrompre, et cela fait partie du fonctionnement de la mécanique quantique. L'effet observateur signifie que toute tentative de surveiller les photons lorsqu'ils se déplacent le long du réseau non seulement les modifierait, mais les détruirait en fait.
Cela signifie que le destinataire prévu saura immédiatement s'il y a eu des tentatives d'écoute clandestine en cours de route. Il n'y a *actuellement aucun moyen de contourner ce phénomène, car il s'agit d'une propriété inhérente à la mécanique quantique. Il n'est donc pas surprenant que les gouvernements, les sociétés médicales et les institutions financières s'y intéressent ouvertement.
* Étant donné que la recherche dans ce domaine progresse à une vitesse aussi fantastique, je ne serais pas surpris si les scientifiques trouvaient un moyen de contourner cette propriété inhérente avant que vous lisiez ceci.
Réseaux quantiques chiffrés
Alors, à quel point pouvez-vous être sécurisé ? Apparemment, pas assez. Le domaine de la cryptographie quantique est en plein essor, et en utilisant la technologie de distribution de clé quantique (QKD), il est possible de chiffrer et de déchiffrer des informations entre l'expéditeur et le destinataire. Les qubits ne peuvent être lus qu'une fois arrivés à destination, et vous avez la bonne clé quantique pour le déverrouiller, donc plus d'écoute clandestine.
Nœuds quantiques dans l'espace ?
À présent, nous savons que la physique quantique fonctionne mieux sans aucune interférence, dans le vide où il fait très froid, et cela rend certaines parties de l'espace proches de la Terre très appropriées. La puissance dont les ordinateurs quantiques ont besoin ici sur Terre sert principalement à créer les conditions spéciales que l'espace offre en abondance. Le qubit lui-même a besoin d'une puissance absolument minuscule pour fonctionner, donc les scientifiques étudient la possibilité d'avoir des ordinateurs quantiques dans des satellites enchevêtrés les uns avec les autres, ce qui permettrait d'envoyer des problèmes depuis la Terre, de les traiter dans l'espace, puis de renvoyer la ou les réponses. vers la terre. Les satellites enverraient des photons intriqués vers la Terre - c'est cool.
Ce n'est pas moi complètement sorti de mes gonds - l'idée vient en fait de scientifiques de la Louisiana State University à Baton Rouge. Oh, et au fait, l'intrication quantique dans l'espace a déjà été testée avec succès en 2017.
Plus c'est mieux
Hummingbird, Eagle, Osprey et Condor - ce sont des noms de processeurs avec un nombre croissant de qubits de Big Blue (IBM), qui est sur la voie d'un ordinateur quantique d'un million de qubits, dont le lancement est prévu en 2030. Vous pourriez être surpris de savoir qu'en septembre 2020, IBM a lancé son nouveau processeur Quantum Hummingbird à 65 qubits, mais uniquement aux membres d'IBM Q Network. Quoi qu'il en soit, vous pouvez en savoir plus sur leur feuille de route ici.
Qubits en perspective
Les ordinateurs d'aujourd'hui fonctionnent avec des bits. Un bit peut être zéro ou un. L'équivalent dans les ordinateurs quantiques s'appelle un "qubit", et il peut avoir la valeur de zéro et de un en même temps, y compris tout ce qui se trouve entre les deux. Cela rend l'ordinateur quantique supérieur dans le sens où il ne faut pas trop de qubits pour dépasser les supercalculateurs que nous avons aujourd'hui. Maintenant, imaginez les performances d'un ordinateur d'un million de qubits.
Si nous voulons avoir des méga-ordinateurs quantiques dans seulement 10 ans (ou moins), nous avons besoin de réseaux de fibre sérieux et de composants de réseau très intelligents pour les accompagner. Au vu du rythme de développement dans ce domaine, nous aurons besoin de beaucoup de nouvelles technologies qui restent à inventer. Je crois que nous sommes au bord d'un super-saut technologique qui sera beaucoup plus grand et plus dramatique que tout ce que nous avons connu auparavant.
Je suis curieusement les entreprises qui entrent sur ce marché émergent. Ils mènent; qui suivra ?
Faiblesse quantique
Au cours de ma carrière, j'ai entendu des déclarations sur des technologies telles que « 100 % sécurisées » ou « c'est la limite absolue », juste pour les voir brisées encore six mois plus tard. "Comment parvenir à une sécurité réseau inconditionnelle grâce à la mécanique quantique" est probablement une idée tout aussi faible. Les menaces sur l'Internet quantique sont abordées dans ce document créé par Takahiko Satoh, Shota Nagayama, Shigeya Suzuki, Takaaki Matsuo et Rodney Van Meter. Ils se concentrent sur l'architecture du répéteur quantique et soutiennent que, puisqu'un répéteur comprend du matériel informatique classique, les attaques possibles sont très similaires à celles des systèmes classiques.
Considérant que les attaques ne ciblent généralement pas les points les plus forts, qui sont les spécificités de la mécanique quantique, on peut raisonnablement s'attendre à des attaques sur les points les plus faibles, qui, inévitablement, seront les composants classiques du réseau.
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Conclusion
Avec les ordinateurs quantiques viennent les réseaux quantiques, et la meilleure technologie actuelle dont nous disposons pour cela est la fibre optique. Les qubits transportant des photons à l'état quantique sont transférés à travers le réseau, et grâce à la nature de la mécanique quantique et à "l'effet observateur", l'état quantique ne peut pas être intercepté pendant le transport. Cependant, il peut y avoir une faiblesse dans les répéteurs, un composant nécessaire si une distance doit être atteinte.
Certaines technologies doivent encore être conçues et les défis sont nombreux, mais avec un intérêt financier massif pour un "Internet sécurisé", les chercheurs disposent de tout le financement dont ils ont besoin. Les progrès fulgurants dans ce domaine deviennent évidents si vous regardez la quantité d'articles scientifiques qui sont publiés.
S'il peut être construit, il peut être brisé. Le débat autour de la sécurité et du cryptage est animé, et je ne m'attendrais pas à ce que les forces obscures restent inactives en attendant que la technologie quantique mûrisse.
Les ordinateurs et les réseaux quantiques sont déjà là, et d'ici quelques années, ils deviendront disponibles dans le commerce. Serez-vous prêt d'ici là ?