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Des boîtes quantiques pour la téléportation

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Les recherches sur l'information quantique se multiplient de par le monde, ainsi des travaux concernant les boîtes quantiques et la téléportation d'informations à l'aide d'états intriqués sont des thèmes récurrents aujourd'hui dans les différentes publications. Dans ce contexte, deux chercheurs de la Nanyang Technological University in Singapore viennent de publier un article intéressant mêlant ces deux sujets.

Schéma du principe de la téléportation quantique. Une paire de particules intriquées (entangled en anglais) permet la téléportation de l'état quantique d'une autre particule par effet EPR (Crédit : IBM).

Les boîtes quantiques sont des assemblages semi-conducteurs de plusieurs milliers d'atomes produisant l'équivalent d'un puits de potentiel dans lequel apparaissent une série de niveaux d'énergies discrets sur lesquels peuvent se loger des électrons. L'ensemble se comporte donc comme un atome artificiel avec des transitions atomiques possibles accompagnées d’émissions ou d'absorptions de photons.

La téléportation quantique d'informations repose sur le célèbre phénomène quantique d'intrication dans lequel plusieurs particules en interaction forment un tout indissociable représenté par un seul état quantique. L'exemple le plus connu est celui d'une paire de particules identiques polarisées, comme des électrons ou des photons, dans l'effet EPR. L'observation de l'une de ces particules influençant immédiatement l'état de l'autre particule quelle que soit la distance. Avec de telles paires, des physiciens comme Anton Zeilinger en 1997, ont pu démontrer expérimentalement que le transfert d'états quantiques, mais pas de matière, était possible.

Plus généralement, le phénomène d’intrication des particules permet théoriquement de construire une nouvelle génération d'ordinateurs, les ordinateurs quantiques, dont les performances de calcul surpasseraient celles des ordinateurs classiques. Pour le moment, seuls des embryons de tels ordinateurs ont pu être réalisés. Il n'en reste pas moins que tout ce qui tourne autour de ces notions de calculs quantiques et de téléportation d'informations est riche en promesses pour les télécommunications et le traitement d'informations à l'échelle mondiale. Indépendamment de son intérêt  intrinsèque, on comprend aisément que beaucoup de laboratoires sur la planète soient engagés dans une course à la maîtrise de ces technologies.

Téléportation d’états quantiques entre deux boîtes quantiques

Dans l'article intitulé "Quantum dot as a resource for teleportation and state swapping" et publié dans Phys. Rev. B 75 205321 (2007), Leong Chuan Kwek et K.W. Choo se sont intéressés à la téléportation d'états quantiques entre deux boîtes quantiques. Comme précédemment indiqué, il s'agit de produire des états quantiques intriqués entre particules dans ces systèmes. Mais le véritable obstacle à la réalisation non seulement d'une téléportation fidèle d'informations mais surtout, à la mise en place d'un calcul quantique vraiment performant et capable de traiter une quantité importante d'informations, c'est celui de la décohérence.

En effet, la superposition quantique des états entre les systèmes de particules, qui est centrale pour tous ces processus, est rapidement détruite même par de légères interactions avec l'environnement, notamment lorsqu'il s'agit d'interactions thermiques. Si l'on compare la superposition des états à un morceau de musique, rapidement le « bruit environnant » (l'agitation thermique des particules en contact avec le système par ex) finit par noyer complètement cette musique et à la rendre inaudible.

Le point-clé dans le travail de ces chercheurs est que, d'après leurs calculs et le mode de fabrication des boîtes quantiques avec états intriqués qu'ils proposent, les effets de la décohérence pourraient être réduits suffisamment pour que téléportation et calculs quantiques soient réalisables plus facilement et efficacement, et surtout, à température ambiante.