Comment le test & mesure et le cryptage réseau permettent de nouvelles applications de la technologie quantique

Des milliards ont été investis dans les technologies quantiques par les secteurs publics et privés. Les échéances quantiques rapportées par les médias se succèdent très rapidement. Des applications visionnaires dans la technologie de capteurs, l'informatique et les communications semblent être à portée de main. Les solutions de test & mesure haute précision de Rohde & Schwarz permettent à la science, à l'industrie et aux institutions publiques d'effectuer des tests spécifiques sur des systèmes quantiques individuels. Et les experts en cryptage de l'entreprise apportent les communications sécurisées basées sur la technologie quantique à l'extérieur des laboratoires, pour une utilisation au sein d'applications pertinentes.

L'informatique quantique, la technologie de capteur quantique et les communications quantiques – les trois technologies ont un potentiel perturbateur. Les sommes d'argent à elles seules en disent long à propos du potentiel d'innovation attribué aux technologies quantiques. En plus des engagements d'investissements de capital / risque bien connus, des milliards dans les ressources publiques sont également injectés dans des investissements de recherche nationaux et internationaux.

Le ministère fédéral allemand de l'éducation et de la recherche, par exemple, a prévu un financement de 2,6 milliards d'euros pour la technologie quantique. L'initiative EU Quantum Flagship a un budget d'au moins 1 milliard d'euros, et le US National Quantum Initiative Act a 2 milliards de dollars US à sa disposition.

Les effets quantiques font désormais parties de nos vies quotidiennes. Les smartphones modernes, par exemple, contiennent plusieurs centaines de milliards de transistors, principalement dans les puces de mémoire flash. Leur fonction – le contrôle des courants et des tensions – repose sur des propriétés mécaniques quantiques de semi-conducteurs. La première génération tirait profit des effets quantiques naturels. En revanche, la seconde génération de la technologie quantique repose sur la création et le contrôle des statuts quantiques individuels.

Rapide. Plus rapide. Informatique quantique.

Notre monde est contrôlé par le code binaire. Les ordinateurs classiques traitent les données comme des séquences de uns et de zéros, vraie ou fausse, actives ou désactives. Cela s'applique à tout, du simple traitement de texte à la réalité virtuelle dans le métavers. Mais le monde dans lequel nous vivons et travaillons devient de plus en plus complexe. La quantité de données que nous devons traiter croît très rapidement. Le volume de données annuel générées numériquement a été multiplié par dix entre 2012 et 2020, et il est prévu de tripler encore d'ici 2025. La quantité de données estimée est de plus de 180 zetta-octets – ou en termes plus familiers, 180 billions de giga-octets.

C'est pour cette raison que les ordinateurs classiques sont confrontés à deux obstacles insurmontables : le temps et la complexité. Plus le volume de données est important, plus vous avez besoin de temps pour traiter ces données successivement. Plus le problème est complexe, plus la probabilité est faible que le code binaire, avec uniquement deux états, soit capable de calculer efficacement une solution. Les ordinateurs quantiques ont le potentiel pour surmonter les deux obstacles grâce aux informations provenant de la physique moderne.

Main dans la main plutôt que l'un ou l'autre

Comme les bits conventionnels, les bits quantiques (qubits) constituent des unités de mémoire mécaniques quantiques. En plus de simples zéros et uns, ils peuvent également s'occuper du chevauchement, des états mixtes. Cette simultanéité représente un changement de modèle technologique fondamental. Nous pouvons dorénavant exécuter des méthodes de calcul successives classiques simultanément, c'est la raison pour laquelle un ordinateur quantique permet d'économiser beaucoup de temps.

Mais avant tout, la nouvelle approche mécanique quantique nous permet de traiter de nouvelles questions bien plus complexes. Cependant, ce n'est pas une décision à prendre ou à laisser, qu'il s'agisse de la puissance de traitement classique ou de l'informatique quantique. Au lieu de ça, ce qui importe c'est l'intégration des systèmes existants et quantiques en fonction de la tâche.

La physique face à la logique

Dans le monde quantique, une particule peut être à deux endroits à la fois. Ce n'est que lorsqu'elle est observée que vous pouvez la localiser, par exemple en la mesurant. En d'autres termes, elle n'a aucun emplacement défini jusqu'à ce qu'elle soit observée. Cette propriété inhabituelle est également la raison pour laquelle elle est extrêmement instable. Au lieu d'utiliser des qubits physiques individuels, ce qui peut être une source d'erreurs majeure, plusieurs qubits sont regroupés au sein d'un qubit logique. Cependant, le défi ici est que vous avez besoin de systèmes quantiques avec plus d'un million de qubits logiques afin de répondre aux questions pratiques, comme le repliement de protéine. Un qubit logique peut contenir jusqu'à 100 qubits physiques, mais la capacité de traitement la plus élevée n'est actuellement que de 127 qubits physiques.

Zurich Instruments est le membre le plus jeune de la famille Rohde & Schwarz. Le marché du T&M, pour l'informatique quantique en particulier, présente un potentiel énorme pour les deux entreprises. L'utilisation et la maintenance des ordinateurs quantiques nécessitent une large gamme de solutions de T&M spécifiques, car les signaux RF doivent être générés et mesurés avec une précision extrêmement élevée, afin de créer et d'enregistrer efficacement des états quantiques. Les systèmes de contrôle pour les ordinateurs quantiques sont une partie de la gamme de l'entreprise.

Sécuriser. Plus sécuriser. Communications quantiques

Les ordinateurs quantiques ont le potentiel de repousser les limites de traitement efficacement. Mais cela s'accompagne de défis, incluant des communications sécurisées. La boîte de Pandore a commencé à s'ouvrir au début des années 1990, avec l'apparition des premiers algorithmes qui pouvaient casser les algorithmes de cryptage classiques en utilisant des ordinateurs quantiques haute performance.

Des méthodes de cryptage alternatives ont depuis été mises en évidence. Il existe essentiellement deux approches principales. La première est la cryptographie post-quantique, qui concerne les méthodes de cryptage classiques entièrement avec une différence clé : elles peuvent survivre aux attaques des ordinateurs quantiques et rester intactes. Les algorithmes utilisés dans cette approche reposent sur des hypothèses théoriques pour lesquelles aucune attaque efficace n'est actuellement connue en utilisant des ordinateurs quantiques ou classiques.

L'autre approche correspond à la distribution de clé quantique (QKD). Le bureau fédéral allemand en charge de la sécurité de l'information (BSI) et l'institut national des normes et technologies (NIST) sont deux des principaux moteurs de l'innovation dans ce domaine. Dans un monde de plus en plus numérique, les clients du secteur privé et les clients gouvernementaux en particulier, dépendent de la fiabilité des solutions de sécurité IT. Des réseaux de communications sécurisés sont devenus des infrastructures sensibles au sein des sociétés de pointe relatives à l'information.

Ces solutions innovantes modifient l'orientation de la cryptologie. Les méthodes classiques, ainsi que les méthodes post-quantiques récentes, reposent sur des théories mathématiques, par exemple l'idée que certaines tâches ne peuvent pas être calculées avec une efficacité suffisante. La distribution de clé quantique, à l'inverse, repose sur des principes physiques.

Les premiers appareils QKD ont principalement été développés par des groupes de travail en physique, et le travail de commercialisation est en cours depuis plusieurs années. Rohde & Schwarz Cybersecurity fournit et met à profit sa grande expertise dans les solutions de sécurité, ainsi que son expérience dans la construction et la mise en œuvre des appareils et systèmes de sécurité, et cela au sein de nombreux projets de recherche.

L'innovation à travers la collaboration

En plus du développement actuel de la technologie, l'interaction avec les clients ainsi que la participation dans des groupes de recherche et des associations industrielles sont également importants. Rohde & Schwarz fait donc par conséquent partie de nombreux réseaux émergeant depuis le tout début. En voici quelques-uns :