24/01/2009 - La première téléportation quantique à grande distance entre atomes !

La première téléportation quantique à grande distance entre atomes !

Par Laurent Sacco, Futura-Sciences

Jusqu’à présent, la téléportation à distance macroscopique restait confinée aux photons. Du côté des atomes, on savait la réaliser mais à l'échelle microscopique. Un groupe de chercheurs de l’université du Maryland vient de réussir l'exploit, en téléportant des états quantiques entre deux ions séparés par une distance de un mètre. Bientôt sur Internet ?

L’intrication quantique est probablement le phénomène physique qui symbolise le plus les mystères et la magie de la mécanique quantique. C’est en effet lui que l’on retrouve au cœur du fameux effet EPR et du non moins célèbre paradoxe du chat de Schrödinger. Lorsque deux particules sont dans un état d’intrication quantique, toute mesure de l’état de l’une d’entre elles, comme sa position, sa vitesse ou encore son spin réagit instantanément sur l’état de l’autre, quand bien même l’un se trouverait dans la Voie lactée et l’autre dans la galaxie d’Andromède.

Grâce à ce phénomène, il est possible de téléporter de l’information quantique d’un système physique à un autre. Cette information se présente sous la forme non pas de bits classiques mais de qubits.

On sait qu’on peut représenter, bien que cela soit une analogie trompeuse, le spin des des électrons et des noyaux d’atomes par des petites sphères en rotation. Le spin est alors un moment cinétique mais il ne peut exister, pour un électron, que sous deux états dits haut et bas qui correspondent aux deux sens de rotation autour d’un axe donné de la représentation imagée de l’électron.

Si l’on associe un bit d’information à l’orientation du spin d’un électron dans un atome alors on pourra prendre par convention la valeur « 0 » pour un spin bas et un « 1 » pour un spin haut. La magie quantique permet alors d’avoir une superposition de ces deux bits d’informations qui sont donc simultanément présents. C’est un qubit d’information.

 
Cliquer pour agrandir. Schémas illustrant les principes des qubits portés par un ion et l'intrication entre deux d'entre eux. Crédit : IEEE

Transmettre une information d'un ion à autre, sans lien matériel

Cette situation se présente facilement dans le cas d’ions, par exemple ceux de l’ytterbium. En mettant en interaction deux de ces ions, grâce à un faisceau laser, on peut en réaliser l’intrication. Ils ne forment alors plus qu’un seul système quantique dans une superposition d’états.

On peut s’en servir pour observer l’effet EPR car, même en séparant ensuite les deux ions, toute mesure de l’état quantique de l’un agira instantanément sur l’état quantique de l’autre. Ainsi, si l’on veut savoir par une observation si l’état d’un des ions est un qubit de valeur « 0 » ou « 1», et si cet ion était dans une superposition de ces deux états, il se produira une projection de l’état de cet ion vers un état caractérisé par un électron de spin haut ou bas. A cause de l’effet d’intrication le second ion verra l’état du spin de son électron modifié.

C’est ce genre de jeu que pratiquent Christopher Monroe et ses collègues du Joint Quantum Institute (JQI) à l’université du Maryland.

Deux ions d’ytterbium ont été piégés dans deux cavités différentes. Le premier a été doté d’un qubit d’information et on a l’a ensuite intriqué avec le second ion présent dans un autre piège à ions distant d'un mètre, grâce à une impulsion laser.

En observant le premier ion, une superposition d’état est détruite provoquant l’émission d’un photon pouvant posséder deux états d’énergie possible. L’information portée par le premier ion est alors détruite mais, à cause de l’intrication de cet ion avec le second, l’état du deuxième ion est changé de sorte qu’il enregistre d’une certaine façon l’information qui se trouvait dans le premier.

En fonction de l’énergie du photon émis par le premier ion, on sait quels types d’opérations on peut faire subir au second pour qu’il restitue l’information concernant le premier. Les chercheurs ont constaté qu’il y avait bien eu téléportation de l’état quantique du premier ion sur le second.

Une expérience similaire avait déjà été réalisée en 2004 avec des ions mais la téléportation n’avait été faite que sur des distances microscopiques. La téléportation d’états quantique avait déjà été réalisée, là aussi il y a des années, sur de grandes distances mais avec des photons. C’est donc la première fois que l’on réalise une téléportation d’états quantiques avec de la matière sur des distances macroscopiques. Cette performance est importante car elle rend un peu plus crédible la future réalisation d’un véritable Internet quantique pour le transfert d’informations, par exemple cryptées.

Le schéma de base des expériences de Christopher Monroe et ses collègues du Joint Quantum Institute. Des explications plus détaillées sont fournies dans le document PDF ci-dessous. Crédit : University of Maryland.

Le schéma de base des expériences de Christopher Monroe et ses collègues du <em>Joint Quantum Institute</em>. Des explications plus détaillées sont fournies dans le document PDF ci-dessous. Crédit : <em>University of Maryland</em>.

 

SOURCE : http://futura-sciences.com/

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