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L'échange d'intrication quantique : une clé des communications du futur

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Par Laurent Sacco, Futura

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Le calcul, le cryptage et la télécommunication quantiques devraient prendre de l'importance à l'avenir. Récemment, une équipe de l'Université de Genève a réussi à produire plus facilement un échange d'intrication quantique entre des paires de photons.

Une expérience d'optique quantique. Crédit : Université de Genève-GAP

Le phénomène d'intrication quantique est aujourd'hui devenu l'un des emblèmes des caractéristiques extraordinaires de la mécanique quantique. Découvert théoriquement dans les années 30 par Einstein et Schrödinger, il est à la base des fameux paradoxes EPR et du "chat de Schrödinger".

Deux paires de particules, comme par exemple des photons provenant de la désintégration d'une particule de matière ou émis simultanément lors d'une transition atomique particulière comme c'est le cas dans la célèbre expérience d'Aspect en 1982, peuvent se retrouver dans une situation physique étrange : l'intrication.

Ils forment alors un seul système physique non séparable et toute mesure de l'état d'une des particules influence instantanément l'état de sa partenaire, quelle que soit la distance les séparant.

Les implications sont profondes car tout se passe comme si fondamentalement la réalité était en fait un tout inséparable au-delà des catégories intuitives de l'espace et du temps.

Il ne s'agit pas que de considérations théoriques ésotériques. La maîtrise de l'intrication des particules au niveau quantique pourrait bientôt nous donner la clé d'ordinateurs beaucoup plus puissants que ceux dont nous disposons actuellement. Le même phénomène d'intrication est à la base de la téléportation quantique qui là aussi pourrait bien bouleverser la technologie de la télécommunication dans un futur proche

Des paires de particules intriquées dont l'intrication peut être échangée

Pour bien comprendre ce qu'ont fait les membres du Group of Applied Physics (GAP) de l'Université de Genève, il faut savoir que l'on produit en général des paires de photons intriqués, appelons-les A et B, à partir de sources discrètes de lumière qui émettent des paquets de telles paires de photons.

Si l'on considère deux paires, (A1, A2) et (B1, B2), il est alors possible d'intriquer A1 et B1 en effectuant sur eux une mesure particulière et simultanée. On produit alors un des quatre états de Bell possibles pour deux particules arbitraires pouvant exister chacune dans deux états quantiques, par exemple polarisation droite et gauche pour un photon et spin haut et bas pour un électron.

Les couleurs représentent une particule et la fléche un de ces deux états possibles. Les crochets sont une représentation d'un vecteur d'état en mécanique quantique dans le formalisme de Dirac (Crédit : Gianni Blatter).

Automatiquement, la formation d'un état de Bell par la mesure de A1 et B1, dans lequel les photons sont intriqués, provoque l'intrication à son tour de A2 et B2. Ainsi, on a réalisé un échange d'intrication entre les paires initiales de photons qui étaient indépendantes au début de l'expérience. On parle de Bell-State Measurement ou BSM pour qualifier ce processus.

Le problème des sources discrètes de paires

Nicolas Gisin s'est rendu célèbre il y a quelques années avec ses expériences de pionnier sur la téléportation quantique et c'est avec son groupe qu'il est parvenu à reproduire le phénomène d'échange précédent non pas avec des sources discrètes mais avec des sources continues de paires de photons intriqués.

C'est important parce que, jusqu'à présent, il fallait synchroniser très précisément l'émission des paquets de paires de photons et ce n'était pas facile. La difficulté rencontrée était d'ailleurs telle que cela rendait mal aisée la réalisation pratique d'un système de communication quantique à l'échelle du globe. Cette difficulté a été contournée en utilisant une source continue et en reportant l'exigence de la synchronisation, non pas sur l'émission, mais sur la détection. Un article sur le sujet a été publié il y a quelque temps dans Nature.

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