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La téléportation quantique... de l'énergie

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La téléportation quantique ne permet pour le moment que de transférer des informations. Il semble qu'elle puisse parfois aussi transférer de l'énergie sur de très courtes distances. Des physiciens japonais sont sur la piste menant à une téléportation quantique d'énergie sur des distances arbitrairement grandes. Elle est peut-être réalisable en physique du solide, et a éventuellement laissé des traces en cosmologie.

Deux des pères fondateurs de la théorie quantique et de son interprétation physique, Werner Heisenberg (à gauche) et Niels Bohr (à droite). Heisenberg a été à l'origine de la théorie quantique relativiste des champs avec Pauli. Leurs travaux ont posé les bases sur lesquelles Dirac et Fermi ont développé l'électrodynamique quantique. © AIP, Niels Bohr Library

C'est en 1992 que le physicien Charles Bennett et ses collègues ont proposé un protocole expérimental pour téléporter des états quantiques. Il reposait sur l'utilisation de l'intrication quantique devenue célèbre avec le paradoxe EPR et celui du chat de Schrödinger. En 1997, le physicien Anton Zeilinger et ses collègues réussissaient pour la première fois à faire de la téléportation quantique en utilisant des photons. On a depuis fait de même avec des états quantiques portés par des atomes individuels. De nouveau, il ne s'agissait que de transfert d'information quantique, et pas de téléportation de matière au sens des auteurs de science-fiction.

Le principe d'une expérience de téléportation d'information quantique peut être illustré par l'exemple suivant. Une paire de particules quantiques intriquées, comme deux photons polarisés, est créée. Les photons sont partagés entre deux observateurs, Alice et Bob, qui peuvent s'éloigner l'un de l'autre d'une distance arbitraire. Alice possède un troisième photon polarisé dans un état quantique inconnu. Elle effectue une mesure qui conduit simultanément les deux photons en sa possession à former un système quantique. Cela provoque instantanément la téléportation de l'état quantique inconnu du troisième photon tout en le détruisant. À ce stade, Bob ne peut pas avoir accès à l'état quantique téléporté. Il doit attendre qu'Alice lui envoie le résultat de sa mesure, et ce n'est possible qu'en utilisant des moyens de télécommunications envoyant des signaux à une vitesse n'excédant pas celle de la lumière. Ce n'est qu'avec le résultat de l'expérience d'Alice que Bob peut alors faire une mesure sur son photon, qui lui révélera l'information contenue dans le photon qui n'était pas intriqué.

Téléportation et fluctuations quantiques

Depuis plusieurs années, le physicien japonais Masahiro Hotta explore avec ses collègues la possibilité de réaliser aussi de la téléportation quantique d'énergie. Il se trouve que les fluctuations quantiques des champs, par exemple ceux existant dans le vide (comme le champ électromagnétique) ou ceux existant dans la matière condensée et associés aux phonons, magnons et autres quasiparticules, conduisent aussi à de l'intrication quantique. Il existe ainsi des fluctuations du contenu en énergie du champ électromagnétique autour de son état minimal. Ces fluctuations sont décrites par les inégalités de Heisenberg.

L'état d'énergie minimal du vide quantique fluctue sans cesse autour d'une valeur que l'on peut prendre comme nulle. Temporairement et localement, la densité d'énergie peut être positive ou négative, et ces fluctuations peuvent être intriquées. En mesurant localement ces fluctuations, l'observateur Alice injecte de l'énergie dans les fluctuations du vide, qui peut être exploitée par Bob s'il connaît la valeur de la mesure faite par Alice. Globalement l'énergie est conservée. La téléportation quantique pourrait être possible à des distances arbitraires si les deux observateurs mesurent un état du vide quantique qui a été « comprimé » (squeezed state en anglais). © Masahiro Hotta

Hotta a montré qu'en mesurant localement l'énergie du vide quantique, l'énergie transférée lors de cette mesure pouvait être récupérée en un autre point de l'espace par un autre observateur effectuant une mesure, pourvu qu'on lui communique les résultats de la première mesure. La situation est complètement analogue à celle de la téléportation quantique du fait de l'intrication des fluctuations du vide quantique. Toutefois, les premiers calculs indiquaient que la quantité d'énergie transférée diminuait très rapidement avec la distance.

Téléportation et effet Hall quantique

Récemment, les chercheurs se sont rendu compte qu'il y avait en théorie un moyen de contourner cet obstacle. Il fallait que l'état du vide entre deux observateurs corresponde à ce qu'on appelle un état comprimé. Un tel état est bien connu en optique quantique. En gros, avec des états comprimés, les fluctuations quantiques sont minimales et les inégalités de Heisenberg deviennent des égalités.

Masahiro Hotta a continué de creuser cette idée avec ses collègues et les derniers résultats de leurs réflexions ont été publiés dans un article sur arxiv. Il suggère maintenant que l'on pourrait parfois faire de la téléportation d'énergie sans limite de distance, mais il faut bien dire que cela semble rester très problématique et surtout restreint à des situations physiques très particulières. Le chercheur propose de tester ses idées avec des systèmes physiques manifestant un effet Hall quantique. Il suffirait d'étirer le système pour créer sur une petite distance un état comprimé du champ associé au transport de courant électrique manifesté par l'effet Hall. On pourrait alors vérifier que la téléportation quantique d'énergie est possible selon les nouveaux calculs des physiciens. Un autre domaine où la théorie de la téléportation quantique d'énergie pourrait être vérifiée est la cosmologie. La théorie de l'inflation fait en effet usage d'états comprimés.

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