Téléportation quantique - Définition et Explications

Introduction


Mécanique quantique
 \hat H | \psi\rangle = i\hbar\frac{{\rm d}}{{\rm d}t}|\psi\rangle
Postulats de la mécanique quantique

Histoire de la mécanique quantique

Cette boîte : voir • disc. • mod.

La téléportation quantique est un protocole de communications quantiques consistant à transférer l’état quantique d’un système vers un autre système similaire et séparé spatialement du premier en mettant à profit l’intrication quantique. Contrairement à ce que le nom laisse entendre, il ne s'agit donc pas de transfert de matière. Le terme de téléportation quantique est utilisé pour souligner le fait que le processus est destructif : à l'issue de la téléportation, le premier système ne sera plus dans le même état qu'initialement.

Avant d’aborder le protocole proprement dit, nous allons préciser un certain nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de notions élémentaires d’une nouvelle science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire...) en train (Un train est un véhicule guidé circulant sur des rails. Un train est composé de...) de naître : l’information quantique.

Notion de qubit

Système à deux niveaux non dégénérés.

Toute information numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information...) est encodée sous forme de mots binaires dont l’entité unique et indivisible est le bit (de l’anglais binary digit). Cette variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle...) binaire ne peut prendre que deux états distincts « 0 » et « 1 » correspondant par exemple à la présence ou non d’un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) électrique, lumineux ou autre. En physique quantique (La physique quantique est l'appellation générale d'un ensemble de théories physiques...), cette situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un...) se généralise sans difficulté à l’aide d’un système à deux niveaux : un niveau fondamental  \vert g\rangle et un niveau excité  \vert e\rangle séparé du premier d’une énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) non nulle  \hbar\omega_{o} , où ωo est par exemple la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) de Bohr d’une certaine transition atomique que l’on sélectionne à l’aide d’un laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique)...) asservi sur cette fréquence. Naturellement, on identifiera l’état binaire « 0 » à l’état fondamental du système à 2 niveaux et l’état binaire « 1 » à l’état excité du système que l’on notera désormais par les kets  \vert 0\rangle et  \vert 1\rangle . Ces deux états constituent alors la base de l’espace de Hilbert du système, et l’état de ce dernier s’écrira de manière générale comme  \vert\psi\rangle = \alpha\vert 0\rangle + \beta\vert 1\rangle où les paramètres complexes  \left(\alpha,\beta\right) vérifient la condition de normalisation  \vert\alpha\vert^{2}+\vert\beta\vert^{2}=1 . On appelle alors qubit (pour quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit...) binary digit) un tel système à deux niveaux utilisé comme brique élémentaire de la logique quantique. Etant donné l'arbitraire de phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) d'un état quantique (En mécanique quantique, l'état d'un système décrit tous les aspects du système physique. Il...)  \vert\psi\rangle , on peut représenter l'état d'un qubit par un vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet...) parcourant la sphère (En mathématiques, et plus précisément en géométrie euclidienne, une...) de Bloch avec :

 \alpha = \cos{\left(\frac{\theta}{2}\right)}, \beta = e^{i\phi}\sin{\left(\frac{\theta}{2}\right)}.
Sphère de Bloch d'un qubit : les états binaires classiques sont aux pôles de la sphère.

A la différence du bit classique, il est impossible de déterminer (de lire) l’état d’un qubit sans projeter ce dernier sur l’un des états binaires classiques. Alors on peut penser qu’il suffit de multiplier un qubit afin d’en déterminer l’état par mesures répétées sur les copies du qubit initial. Cependant, la possibilité d’une telle multiplication (La multiplication est l'une des quatre opérations de l'arithmétique élémentaire...) des copies du qubit est interdite par la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) quantique, elle fait même l’objet d’un théorème (Un théorème est une proposition qui peut être mathématiquement démontrée, c'est-à-dire une...).

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