Première téléportation d'états quantiques entre lumière et matière
Publié par Michel le 09/10/2006 à 00:00
Source et Illustrations: PhysicsWeb & Nature
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 (La téléportation quantique est un protocole de communications quantiques consistant à transférer l’état quantique d’un système vers un autre...), les fervents de science-fiction (La science-fiction, prononcée /sjɑ̃s.fik.sjɔ̃/ (abrégé en SF), est un genre narratif (principalement littéraire et...) ont dû se contenter d'exemples du principe plutôt frustrants. Récemment cependant, des physiciens de l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa...) de Copenhague ont franchi une étape importante qui devrait aboutir à certaines expériences pratiques de 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 traité tant en science-fiction...) (Nature octobre 2006).


Vue d'artiste (Est communément appelée artiste toute personne exerçant l'un des métiers ou activités suivantes :) du réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on...) d'intrication
entre 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 est généralement...) de césium (Le césium est un élément chimique de symbole Cs et de numéro atomique 55.) et un faisceau lumineux

"C'est la première fois que la téléportation est réalisée entre le média (On nomme média un moyen impersonnel de diffusion d'informations (comme la presse, la radio, la télévision), utilisé pour communiquer. Les médias permettent de diffuser...) 'mobile' qu'est la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est...) 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 (En mécanique quantique, l'état d'un système décrit tous les aspects du système physique. Il est représenté par un objet mathématique qui donne le maximum d'information possible sur...) 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 (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) 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 (Bell Aircraft Corporation est un constructeur aéronautique américain fondé le 10 juillet 1935. Après avoir construit des avions de combat durant la Seconde Guerre mondiale, mais aussi le premier avion à avoir franchi...)", à la fois sur cette particule et sur sa propre moitié de la paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts a et b, et il s'écrit alors :) 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 (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...) 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 ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En électronique, la polarisation est le fait...) de la lumière varie lorsqu'elle traverse un média. La lumière voyage (Un voyage est un déplacement effectué vers un point plus ou moins éloigné dans un but personnel (tourisme) ou professionnel (affaires). Le voyage s'est considérablement développé et...) ensuite sur 50 cm vers Alice, où elle est mélangée à l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini par les...) à déplacer par téléportation, en l'occurrence une faible impulsion laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-américain « light...). L'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) et la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) 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 (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) 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 (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en suspension dans l’atmosphère. L’aspect d'un nuage dépend de la lumière...) du césium soit un objet "observable (Dans le formalisme de la mécanique quantique, une opération de mesure (c'est-à-dire obtenir la valeur ou un intervalle de valeurs d'un paramètre...)" 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'une manière générale, la mémoire est le stockage de l'information. C'est aussi le souvenir d'une information.)" d'états quantiques, utilisant des photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se...) 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


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 (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) 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 (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa...) avec une impulsion d'un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la...) radiofréquence (RF) de durée 0,2 ms.

Après un délai (Un délai est d'après le Wiktionnaire, « un temps accordé pour faire une chose, ou à l’expiration duquel on sera tenu de faire une certaine chose.  ».) de 0,1 ms, une seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La...) impulsion intense (de vérification) est envoyée pour effectuer une lecture de l'état atomique, afin de prouver la réussite de l'opération.

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