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...) 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)...) possible grâce à l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) coulombienne, par un mécanisme capable de geler l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) des charges de l'îlot à basse température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...).

Les principes de base de la physique quantique (La physique quantique est l'appellation générale d'un ensemble de théories physiques...) 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...). 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)...), le spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque...) d'un atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que...) 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 (L'intrication quantique est un phénomène observé en mécanique quantique dans...) 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...) 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...) 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...) 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...). À cette température, la charge électrique (La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière qui respecte le principe de...) 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...) 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...) 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...) 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...) 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...) perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en...) 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...) sur figure), médiée par les plasmons de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) 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...) 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...) 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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