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La première intrication de paires d'ions sur une longue distance

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Un groupe de physiciens américains a réussi à produire l'intrication de paires d'atomes et d'ions sur une distance jamais atteinte jusqu'à présent. Comme les atomes peuvent constituer des mémoires quantiques relativement stables pour stocker des qubits d'informations, la généralisation de bits classiques bien connus en informatique, c'est un résultat intéressant pour tous les chercheurs travaillant à la création d'un ordinateur quantique performant capable de supplanter, un jour peut-être, les ordinateurs classiques.

L'effet EPR selon david Bohm. Une particule se désintègre en donnant deux photons. La mesure du spin de l'un fait automatiquement sauter le spin de l'autre à une distance arbitraire (Crédit : Chris Pearson).

Chris Monroe de l'University of Maryland et ses collègues de l' University of Michigan viennent donc de publier dans Nature l'article « Entanglement of single-atom quantum bits at a distance ». De façon remarquable, l'intrication quantique entre les deux atomes se produit par l'intermédiaire de photons qu'ils ont déjà émis et ce, théoriquement, quelle que soit la distance les séparant. Le principe de la méthode est le suivant.

On prend une paire d'atomes ou d'ions, ici des ions d'ytterbium, et on les piège à un mètre de distance à l'aide d'un champ électrique quadripolaire à haute fréquence (de l'ordre de quelques MHz), comme c'est le cas dans les pièges à ions de Paul et Penning. On les soumet ensuite à une impulsion laser pour les mettre dans un état excité. Lorsqu'ils se désexcitent, des photons sont produits qui sont intriqués avec l'atome.

L'idée est alors de capturer ces photons à l'aide de lentilles puis de les injecter dans des fibres optiques pour leur faire parcourir une certaine distance les emmenant sur un séparateur de faisceaux. Si les deux photons ont la même fréquence, ils peuvent alors interférer tout en sortant du séparateur. On a alors réalisé une intrication des photons et donc des atomes eux-mêmes !

Un test EPR

Pour tester la réalité de cette intrication, les deux ions ont à nouveau été soumis à des impulsions lasers afin de produire d'autres photons par fluorescence. Les physiciens ont alors reproduit une expérience du type de celles reposant sur les fameuses corrélations du paradoxe EPR, introduit par Einstein et ses collaborateurs en 1935, et traduit théoriquement en termes d'expériences sur des photons des années plus tard par David Bohm. Comme pour les expériences d'Alain Aspect en 1982, destinées à tester les idées d'Einstein Podolski et Rosen à partir de corrélations entre photons violant les célèbres inégalités de Bell, les bizarres « actions à distance fantômes » impliquées par l'intrication quantique étaient bien là.

Pour le moment, l'expérience n'a pu être faite qu'avec des photons dans le proche UV. Malheureusement, les fibres optiques ont tendance à être très absorbantes avec ceux-ci et, sur un milliard de photons capturés par les lentilles précédentes, un seul arrive au séparateur de faisceaux. Les physiciens travaillent donc sur le moyen de produire cette intrication avec des photons plus proches de ceux usuellement employés pour les télécommunications.

L'enjeu est d'importance car dans la course aux ordinateurs quantique « macroscopiques », les seuls capables de supplanter en vitesse et en puissance les ordinateurs classiques, l'emploi de mémoires quantiques stables, c'est-à-dire capables d'enregistrer par intrication quantique des qubits d'informations suffisamment longtemps pour permettre d'effectuer des calculs quantiques avant que la décohérence  n'en détruise la possibilité, est crucial. Or, les atomes sont des candidats intéressants pour cela. On comprend donc tout l'intérêt de cette performance d'intrication de paires d'atomes.