Un photon révèle l'intrication de 16 millions d'atomes
Publié par Redbran le 14/10/2017 à 00:00
Source: Université de Genève (UNIGE)
La théorie quantique le prédit sans équivoque: un grand nombre d'atomes peuvent êtres intriqués, liés entre eux par une relation quantique très forte, même dans une structure macroscopique. Mais les preuves expérimentales faisaient jusqu'ici largement défaut, même si des progrès récents ont permis de montrer l'intrication de 2900 atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il...). En repensant le traitement des données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) issues de leurs observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude...), des chercheurs de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment où les...) de Genève (UNIGE) ont changé d'échelle, prouvant l'intrication de 16 millions d'atomes au sein d'un cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot....) d'un centimètre (Un centimètre (symbole cm) vaut 10-2 = 0,01 mètre.) de côté. Une recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...) à découvrir dans la revue Nature Communications.


Vue partielle de la source de photons uniques. Ceux-ci seront ensuite stockés dans la mémoire (D'une manière générale, la mémoire est le stockage de l'information. C'est aussi le souvenir d'une information.) quantique, afin de générer de l'intrication parmi un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'atomes dans la mémoire. (UNIGE)
Les lois de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...) quantique permettent aujourd'hui d'émettre des signaux dont toute interception par un tiers est aussitôt détectée. Cette propriété est essentielle pour la protection des données et plus spécifiquement pour l'industrie du cryptage (En cryptographie, le chiffrement (parfois appelé à tort cryptage) est le procédé grâce auquel on peut rendre la compréhension d'un document impossible à toute personne qui n'a pas la clé...), qui peut désormais garantir à ses clients que leurs messages n'ont pas été lus en chemin. Encore faut-il que ces signaux puissent voyager sur de longues distances grâce à des relais un peu particuliers, des répéteurs quantiques. Ce sont des cristaux dont les atomes sont intriqués, unis (L'UNIS, pour UNIversité du Svalbard, est une université norvégienne implantée en 1993, à Longyearbyen (2000 habitants), principale cité du Spitzberg (en francais, Spitzberg désigne l'île principale...) par une relation quantique très forte. Lorsqu'un photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées...) pénètre ce petit bloc de cristal enrichi d'atomes de terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre...) rare et refroidi à 270 degrés sous zéro (Le chiffre zéro (de l’italien zero, dérivé de l’arabe sifr, d’abord transcrit zefiro en italien) est un symbole marquant une position vide...), trois degrés à peine au-dessus du zéro absolu, il crée cette intrication entre les millions d'atomes qu'il traverse (Une traverse est un élément fondamental de la voie ferrée. C'est une pièce posée en travers de la voie, sous les rails, pour en maintenir l'écartement et l'inclinaison, et transmettre au...). La théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur l’observation ou...) le prédit sans équivoque et le phénomène se produit bien, puisque le cristal remplit sa fonction et réémet sans la lire l'information qu'il a reçue, sous forme d'un photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées...) unique.

L'analyse de la lumière, clé de voûte (Une voûte (ou voute) est un élément architectural de couvrement intérieur d'un édifice présentant un intrados. La voûte travaille...) de la recherche

Il est relativement facile d'intriquer deux particules, la scission d'un photon génère par exemple deux photons intriqués, aux propriétés et au comportement identiques. "Mais il est impossible d'observer directement un phénomène d'intrication entre plusieurs millions d'atomes tant la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de...) de données qu'il faudrait collecter et analyser est importante", explique Florian Fröwis, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les...) au sein du Groupe de physique appliquée de la Faculté des sciences de l'UNIGE. Avec ses collaborateurs, il a donc choisi une voie indirecte, se demandant d'abord quelles mesures il était possible de réaliser, puis, parmi toutes celles-ci, lesquelles étaient pertinentes. Les chercheurs se sont penchés sur les caractéristiques de la lumière réémise par le cristal, analysant ses propriétés statistiques (La statistique est à la fois une science formelle, une méthode et une technique. Elle comprend la collecte, l'analyse, l'interprétation de données...) et les probabilités qui les accompagnent, en traquant deux indices majeurs: que la lumière soit réémise dans une seule direction plutôt que de rayonner à partir du cristal, et que l'émission soit constituée d'un photon unique. C'est ainsi qu'ils ont pu démontrer l'intrication de 16 millions d'atomes, là où les observations précédentes plafonnaient à quelques milliers. A noter qu'une recherche parallèle, menée par des scientifiques de l'Université de Calgary, au Canada, démontre elle aussi l'intrication entre de nombreux groupes d'atomes. "Nous n'avons pas changé les lois de la physique", souligne Mikael Afzelius, du Groupe de physique appliquée du Professeur Nicolas Gisin. "Ce qui a changé, c'est la façon de traiter ce flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est employé dans les...) de données."

L'intrication des particules est un prérequis pour la révolution quantique qui s'annonce, et qui touchera aussi bien les volumes de données circulant sur les réseaux du futur que la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) et le mode de fonctionnement des ordinateurs quantiques. Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) repose en effet sur la relation qui existe entre deux particules au niveau quantique, une relation bien plus forte que les simples corrélations que nous proposent les lois de la physique classique.

Deux chaussettes dans le monde quantique

Difficile à saisir, le concept d'intrication peut être illustré par deux chaussettes. Imaginons un physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et les forces qui les relient. Le mot physicien dérive du grec,...) qui porterait toujours deux chaussettes de couleurs différentes. Lorsqu'on voit une chaussette rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) à sa cheville droite, on apprend aussitôt quelque chose à propos de la gauche: elle n'est pas rouge. Il y a une corrélation entre les deux chaussettes, un phénomène somme toute assez banal et tout à fait intuitif. Lorsqu'on bascule (Une bascule ou un basculeur est un circuit intégré logique doté d'une sortie et d'une ou plusieurs entrées. La sortie peut être au niveau logique 0 ou 1. Les changements d'état de la sortie sont déterminés par les...) dans le monde de la physique quantique, une nouvelle forme de corrélation, infiniment plus forte et plus mystérieuse, apparaît: l'intrication. Prenons deux physiciens, chacun dans son laboratoire, situés à grande distance l'un de l'autre. Ils disposent d'une particule quantique, par exemple un photon. Si ces deux photons sont dans un état intriqué, ils vont observer des corrélations quantiques nonlocales, un phénomène inexplicable par la physique classique. Ils constateront en effet que la polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En électronique, la polarisation est le fait...) des photons est toujours opposée, comme dans les chaussettes dans l'exemple ci-dessus, et surtout que le photon n'a pas de polarisation intrinsèque. La polarisation mesurée pour chaque photon est donc totalement aléatoire, et fondamentalement indéterminée (En mathématiques, une indéterminée est le concept permettant de formaliser des objets comme les polynômes formels, les fractions rationnelles ou encore les séries formelles. On la désigne en...) avant la mesure. On a affaire à un phénomène aléatoire se déroulant simultanément à deux endroits distants. C'est le mystère des corrélations quantiques.

A lire
Professeur à la Faculté des sciences de l'UNIGE, Nicolas Gisin dévoile dans son ouvrage les secrets de l'intrication:
Nicolas Gisin, L'Impensable Hasard (Dans le langage ordinaire, le mot hasard est utilisé pour exprimer un manque efficient, sinon de causes, au moins d'une reconnaissance de cause à effet d'un événement.): Non-localité, téléportation (On nomme téléportation (terme de 1934) le transfert d'un corps dans l'espace sans parcours physique des points intermédiaires entre départ et arrivée. Le thème a été...) et autres merveilles quantiques, Odile Jacob, 2012.
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