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La première téléportation quantique macroscopique

Ce n’est certes pas de la téléportation à la Star Trek, mais la téléportation quantique d’un qubit que vient de réaliser une équipe de chercheurs (et elle) est tout de même impressionnante. En utilisant des photons intriqués, ils ont transféré l’état quantique d’un paquet de 100 millions d’atomes dans un autre paquet similaire. C’est la première fois que l’on transmet ainsi une mémoire quantique portée par un objet macroscopique.

Erwin Schrödinger avait compris avec Einstein en 1935 que les équations de la théorie quantique impliquaient le phénomène d'intrication quantique aujourd'hui utilisé dans l'effet EPR et les travaux sur la téléportation. © The Nobel Foundation Erwin Schrödinger avait compris avec Einstein en 1935 que les équations de la théorie quantique impliquaient le phénomène d'intrication quantique aujourd'hui utilisé dans l'effet EPR et les travaux sur la téléportation. © The Nobel Foundation

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La théorie quantique autorise la téléportation d’états quantiques. Mais comme l’explique Nicolas Gisin dans la vidéo ci-dessous, il ne s’agit pas de téléportation d’objets matériels mais bien de la structure, c'est-à-dire l’information quantique qu’ils portent. Si l’humanité peut raisonnablement rêver d'un vaisseau spatial qui lui fera fouler le sol d’exoplanètes en orbite autour d’Alpha du Centaure (au bout de quelques dizaines d’années de voyage), il ne semble pas que les lois de la physique rendent possible la téléportation d’un astronaute de ce vaisseau spatial sur la surface d’une de ces exoplanètes, comme dans Star Trek.


Qu'est-ce que la téléportation d'un état quantique et à quoi cela peut-il servir ? Des explications données par l'un des pionniers de la téléportation et de la cryptographie quantique. © Save-École polytechnique fédérale de Lausanne/YouTube 

Les travaux de pionnier de Charles Bennett ont prouvé que la simple téléportation de qubits d’information est prometteuse.

Plusieurs laboratoires dans le monde font donc des recherches sur la téléportation quantique. On a réussi à la mettre en pratique avec des paires de photons ou entre des ions par exemple, mais il s’agissait à chaque fois d’un petit nombre de systèmes physiques. Bien évidemment, comme pour le cas des ordinateurs quantiques, l'idéal serait de pouvoir manipuler et téléporter l’état d’un grand nombre de qubits.

Des mémoires quantiques macroscopiques

Une équipe de chercheurs du National Laboratory for Physical Sciences at the Microscale de l’University of Science and Technology of China à Hefei et de l’université de Heidelberg en Allemagne vient de faire de la téléportation avec un seul qubit. Cette performance exposée dans un article sur arxiv serait restée peu spectaculaire si elle ne concernait pas des objets macroscopiques de 1 mm de diamètre.

C'est un record !

Charles Bennett, l'un des premiers physiciens qui a compris comment faire de la téléportation quantique en 1993. © 2012 ETH Zurich
Charles Bennett, l'un des premiers physiciens qui a compris comment faire de la téléportation quantique en 1993. © 2012 ETH Zurich

Les chercheurs ont commencé par obtenir des paquets de 100 millions d’atomes de rubidium piégés. D’une taille d’environ 1 mm chacun, ces paquets peuvent donc être considérés comme des objets macroscopiques. Dans chacun, ils ont produit une onde de spin quantique.

On peut se faire une idée de ce qu’est une onde de spin en considérant des toupies en rotation verticale, alignées avec la propagation de proche en proche d’un signal faisant se basculer chacune de ces toupies avant qu’elles ne reviennent dans leur état initial. Des atomes en rotation possédant un moment cinétique peuvent être vus approximativement comme des toupies. Une onde de spin dans un gaz de ces atomes est alors l’analogue du phénomène précédemment décrit. Cette onde peut porter un qubit d’information et on peut intriquer cet état quantique avec celui d’un photon, ce que les physiciens ont fait.

L’étape suivante a consisté à utiliser une fibre optique de 150 m de long pour transmettre ce photon en direction de l’autre paquet d’atomes, lui-même intriqué de façon similaire avec un autre photon. En intriquant ces deux photons lors d’une opération de mesure appropriée, il est possible de téléporter l’état du qubit du premier paquet d’atomes de rubidium vers le second, ce qui a effectivement été fait avec un taux de réussite de 88 %.

Ces paquets d’atomes sont présentés comme des mémoires quantiques par les chercheurs. Elles seraient en tant que telles des éléments importants pour un futur réseau de transfert d’informations quantiques sur de longues distances. Cependant, pour cela, il faudrait que le stockage des qubits avec des ondes de spin dans ces mémoires dure plus longtemps que 129 microsecondes pour atteindre au moins 100 millisecondes.


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