Téléportation d'un état quantique au travers d'un ilot métallique

Publié par Adrien le 22/02/2020 à 08:00
Source: CNRS INP

Cliché en microscopie électronique à balayage (coloré) d'un interféromètre électronique Mach-Zehnder, utilisée pour tester la cohérence quantique des électrons traversant un îlot métallique. La ligne pointillée rouge représente visuellement le transfert non local de l'état d'électrons au travers de l'îlot. © C2N (CNRS/Univ. Paris Saclay)
Des physiciennes et des physiciens ont pour la première fois observé la transmission de l'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 le système, dans le but de...) d'électrons au travers d'un îlot métallique de taille micrométrique. Cela a été rendu (Le rendu est un processus informatique calculant l'image 2D (équivalent d'une photographie) d'une scène créée dans un logiciel de...) possible grâce à l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui...) coulombienne, par un mécanisme capable de geler l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...) des charges de l'îlot à basse température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du transfert de...).

Les principes de base 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...) quantique interdisent de copier l'état quantique d'un système sur un autre. Il est en revanche possible de transférer l'état quantique d'un système à un autre. C'est ce transfert d'information (et non de matière) qui est dénommé téléportation quantique (La téléportation quantique est un protocole de communications quantiques consistant à transférer l’état quantique d’un système vers un autre...). Jusqu'à présent, les physiciens avaient réussi à effectuer cette opération avec comme système quantique un photon (En physique des particules, le photon (souvent symbolisé par la lettre γ — gamma) est la particule élémentaire médiatrice de l’interaction électromagnétique. Autrement dit,...), le 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 masse et sa charge...) d'un atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. La...) ou encore le pseudo-spin décrivant un bit quantique supraconducteur. Pour cela, ils ont chaque fois utilisé le protocole dit "standard" reposant sur l'utilisation d'une intrication quantique entre deux particules. Pour la première fois, des physiciennes et des physiciens du Centre de nanosciences et de nanotechnologies (C2N, CNRS/Univ. Paris Saclay) viennent de réaliser la téléportation (On nomme téléportation (terme de 1934) le transfert d'un corps dans l'espace sans parcours physique des points intermédiaires entre départ et...) d'un état quantique d'électrons se déplaçant dans un conducteur et sans avoir recours à une intrication préalable. Leurs travaux font 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...) d'une publication dans la revue Science.

Pour parvenir à ce résultat, les scientifiques ont utilisé un îlot métallique de quelques micromètres de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur de ce segment. Pour...) placé à extrêmement basse température, 0.01 kelvin (Le kelvin (symbole K, du nom de Lord Kelvin) est l'unité SI de température thermodynamique. Par convention, les noms d'unité sont des noms communs et s'écrivent en minuscule...). À cette température, la charge électrique (La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière qui respecte le principe de conservation.) de l'îlot est gelée de sorte que quand un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) y pénètre, un électron doit simultanément en ressortir. Lorsqu'il n'y a qu'un seul chemin permettant aux électrons d'entrer et de sortir de l'îlot (un seul "canal" de conduction électronique) ce mécanisme se traduit par le transfert de l'état quantique des électrons entrant sur celui des électrons sortant. Avec des points d'injection (Le mot injection peut avoir plusieurs significations :) et d'émission d'électrons éloignés, cela constitue une nouvelle forme de téléportation quantique. La connexion électrique à l'îlot se fait au travers d'un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base...) semiconducteur (AlGaAs, zones sombres sur figure) de suffisamment faible densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à 4 °C pour les...) électronique pour pouvoir contrôler le contact par effet de champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) avec des grilles (colorisées en bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446 et 520 nm. Elle varie en...) sur la figure). En connectant ainsi un seul canal électronique à cet îlot, l'état quantique des électrons entrants est imprimé sur l'état quantique des électrons sortants.

L'expérience est menée dans le régime Hall quantique, où un grand champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une direction, définie en tout point de l'espace,...) perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en formant un angle droit. Le terme de perpendiculaire vient du latin per-pendiculum (fil à plomb) et justifie la...) rompt la symétrie d'inversion temporelle de sorte que les points d'injection et d'émission sont séparés dans l'espace. En conséquence, la transmission de l'état quantique des électrons est non locale (flèche rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) sur figure), médiée par les plasmons de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent...) de l'îlot. Sans ce mécanisme, il n'aurait pas été possible de propager quantiquement les électrons à travers l'îlot. En effet, leur durée de vie (La vie est le nom donné :) quantique n'est au mieux que de 20 ns alors qu'il faut environ 60 µS, 3000 fois plus longtemps, pour qu'un électron puisse le traverser. La très bonne fidélité de cette téléportation quantique, parfaite à la résolution expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan culturel et...) proche de 1 %, a pu être démontrée en mesurant l'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) d'interférences quantiques entre deux chemins impliquant, pour l'un, les électrons originaux et, pour l'autre, les électrons sur lequel l'état quantique original a été transmis.

Un tel mécanisme de téléportation constitue un élément clé dans le but d'utiliser les électrons en propagation comme des plates-formes pour la manipulation et le transfert d'informations quantiques.

Références:
Transmitting the quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit « quanta » au pluriel) représente la plus petite mesure indivisible, que ce...) state of electrons across a metallic island with Coulomb interaction.
H. Duprez, E. Sivre, A. Anthore, A. Aassime, A. Cavanna, U. Gennser et F. Pierre. Science, le 6 décembre 2019, Vol. 366, Issue 6470, pp. 1243-1247.
DOI: 10.1126/science.aaw7856.
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