Première téléportation d'états quantiques entre lumière et matière

Des physiciens danois viennent de réussir à "éclairer" un nuage d'atomes par un faisceau lumineux téléporté depuis une source distante.

Depuis qu'en 1993, Charles Bennett et son équipe ont envisagé pour la première fois la possibilité de téléportation quantique, les fervents de science-fiction ont dû se contenter d'exemples du principe plutôt frustrants. Récemment cependant, des physiciens de l'université de Copenhague ont franchi une étape importante qui devrait aboutir à certaines expériences pratiques de téléportation (Nature octobre 2006).


"C'est la première fois que la téléportation est réalisée entre le média 'mobile' qu'est la lumière et un média 'stationnaire' constitué d'atomes", déclare Eugene Polzik de Copenhague. "Une telle téléportation pourrait servir de base à un réseau connectant des processeurs quantiques distants".

La téléportation quantique permet d'esquiver habilement une des caractéristiques les plus connues des états quantiques: leur incapacité à être mesurés avec précision. Seule une partie d'un état quantique peut être connue par une mesure, et une fois cette mesure réalisée, l'état quantique est irrémédiablement détruit. Pour venir à bout ce problème, qui interdit l'usage de transmissions classiques, la téléportation quantique utilise un couple d'états dits "intriqués". L'un est conservé par l'expéditeur (traditionnellement appelé "Alice" par les physiciens quantiques), alors que l'autre est acquis par le récepteur ("Bob" ou "Bertrand").

Lorsque Alice veut communiquer l'état quantique d'une nouvelle particule à Bob, elle effectue une mesure commune, appelée "mesure de Bell", à la fois sur cette particule et sur sa propre moitié de la paire intriquée. Elle expédie ensuite le résultat à Bob en utilisant n'importe quel moyen classique disponible (téléphone, pigeon voyageur, etc.). En utilisant sa moitié de paire intriquée, Bob est alors capable de "reconstruire" une copie exacte de l'état initial de la particule.

Dans l'expérience de Polzik, un faisceau de lumière traverse un groupe d'atomes de césium, possédé par Bob, qui devient intriqué par un phénomène qui est une version "mécano-quantique" de l'effet Faraday, par lequel la polarisation de la lumière varie lorsqu'elle traverse un média. La lumière voyage ensuite sur 50 cm vers Alice, où elle est mélangée à l'objet à déplacer par téléportation, en l'occurrence une faible impulsion laser. L'amplitude et la phase de la lumière mixée sont ensuite mesurées à chacune des deux sorties du séparateur (la mesure de Bell), puis envoyées par un canal classique à Bob. "L'état complet de l'impulsion laser est récupéré au niveau des atomes", explique Polzik. "Et, plus important encore, notre expérience concerne un objet atomique macroscopique - quelque chose qui peut, dans les faits, être visible".

Bien que le nombre d'atomes impliqués dans l'expérience ne puissent pas combler les espérances des amateurs de science-fiction (10^12 atomes, à comparer aux 10^27 atomes composant un être humain), le fait que le nuage du césium soit un objet "observable" à notre échelle est une avancée importante vers une transmission quantique effective et bien réelle. De vastes ensembles d'atomes pourrait, dans le futur, servir de "noeuds de mémorisation" d'états quantiques, utilisant des photons pour transmission. "Dans un espace libre la téléportation pourrait s'effectuer sur des dizaines ou des centaines de mètres", indique Polzik. "Nous désirons aboutir à une téléportation à longue distance d'objets macroscopiques".

Schéma de principe de l'expérience

Chez "Bob", des atomes sont pompés optiquement avec une impulsion de 4 ms. Une forte impulsion de 2 ms polarisée en Y est ensuite envoyée sur l'échantillon atomique et s'intrique avec les atomes. L'impulsion se déplace sur 0,5 m vers "Alice", où elle est mixée (BS) avec l'objet à téléporter: une impulsion cohérente de lumière, contenant peu de photons, générée par un modulateur électro-optique (EOM) et synchronisée avec l'impulsion d'entrée. Aux sorties de BS, deux séparateurs (PBS) dédoublent la lumière vers des détecteurs qui exécutent une mesure de la polarisation (la mesure de Bell). Les résultats sont traités électroniquement, puis envoyés par l'intermédiaire d'une voie de transmission classique à Bob. La téléportation s'achève en décalant l'état collectif atomique de spin avec une impulsion d'un champ magnétique radiofréquence (RF) de durée 0,2 ms.

Après un délai de 0,1 ms, une seconde impulsion intense (de vérification) est envoyée pour effectuer une lecture de l'état atomique, afin de prouver la réussite de l'opération.