La téléportation est là, mais nous ne nous attendions pas

En 2005, le nécrologue du physicien Asher Peres dans le magazine Physics Today nous racontait que lorsqu’un journaliste lui avait demandé si la téléportation quantique pouvait contenir l’âme d’une personne ainsi que son corps, le scientifique avait répondu : « Non, pas le corps, seulement l’âme. ” Plus qu’une simple blague, la réponse de Peres donne une description parfaite, intégrée dans une métaphore, de la nature d’un phénomène que nous avons vu.

La téléportation dans la vraie science a commencé à prendre forme en 1993, grâce à une analyse théorique publiée dans Physical Review Letters par Peres et cinq autres chercheurs, établissant le cadre de la téléportation quantique. Apparemment, c’était l’idée du co-auteur Charles Bennett d’assimiler le phénomène proposé au concept commun de téléportation, mais il existe une différence essentielle entre la fiction et la réalité : dans cette dernière, le voyage n’est pas important, mais matériel, ce qui transfère les propriétés de la matière d’origine à celle de la matière de destination.

La téléportation quantique est basée sur une hypothèse que le physicien Albert Einstein et ses collègues Boris Podolsky et Nathan Rosen ont décrite comme le paradoxe EPR en 1935. En raison des lois de la physique quantique, deux particules pourraient être obtenues et séparées dans l’espace pour continuer à partager leur propriétés comme les deux moitiés d’un tout.

Ainsi, une action sur l’un d’eux (sur A, ou Alice, selon la nomenclature utilisée) influencera immédiatement l’autre (sur B, ou Bob). Ce “comportement effrayant à distance”, selon les mots d’Einstein, semblerait capable de dépasser la limite de la vitesse de la lumière.

La théorie de ce phénomène, appelée intrication quantique, a ensuite été développée par John Stewart Bell en 1964 et appuyée par de nombreuses expériences. Peres, Bennett et les travaux de leurs collaborateurs ont proposé qu’une troisième particule puisse interagir avec celle d’Alice et perdre un état quantique – la valeur de l’une des propriétés physiques de Bob – pour être transférée à celle de Bob, pour restaurer cet état.

En déplaçant la matière, la particule Bob serait transformée en un double de la particule Alice interactive, de sorte qu’il n’y aurait jamais eu d’interaction physique entre elles.

QUBITS DE TÉLÉPORTATION

Plusieurs expériences ont réalisé cette téléportation quantique depuis 1998, utilisant d’abord des photons individuels, puis des atomes et des systèmes complexes. Au début, le phénomène a été démontré à une courte distance, augmentant à des centaines de mètres et de kilomètres dans des études ultérieures.

Le record actuel est la téléportation de photons à 1 400 kilomètres de la Terre vers le satellite Micius en orbite terrestre, une réalisation réussie par l’équipe dirigée par Jian-Wei Pan à l’Université chinoise des sciences et technologies de Hefei (USTC) en 2017.

Ce qui est transmis dans ces expériences, ce sont des informations codées en bits. Un bit est une simple unité d’information binaire qui prend la valeur 0 ou 1. Par exemple, le spin d’une particule (un type de rotation) peut contenir des informations dans son application aux états quantiques.

Mais dans la version quantitative du bit, le qubit, sa valeur peut être 0 ou 1 ou une autre valeur, telle que 2, puisque la mécanique quantitative permet des états qui se chevauchent. C’est pourquoi l’informatique quantique est considérée comme une technologie plus puissante que l’informatique traditionnelle, car elle a une capacité beaucoup plus grande de stocker et de traiter des informations.

Cependant, il est essentiel de souligner que la téléportation quantique ne sert pas à transmettre des données instantanément ou à des vitesses supérieures à la lumière. L’explication est que Bob a besoin de connaissances supplémentaires sur les mesures d’Alice qui ne sont pas transmises par le système de particules maillées et doivent donc être transmises par un autre canal; deux bits classiques doivent être transmis pour chaque qubit téléporté, et cela ne peut être réalisé que par des moyens conventionnels qui peuvent au plus dépasser la vitesse de la lumière.

UN RÉSEAU QUANTURÉ

Pourtant, malgré cette contrainte, les possibilités de téléportation quantique semblent de plus en plus excitantes à mesure que de nouvelles étapes sont franchies. Cette année, deux équipes de recherche ont documenté pour la première fois la transmission des qutrits, ou unités d’information tridimensionnelles (qui peuvent prendre trois valeurs, 0, 1 et 2).

“Les deux études ont montré la téléportation qutrit. La principale différence est l’outil que nous avons utilisé”, explique à OpenMind Bi-Heng Liu, physicien à l’UCTC et co-auteur d’une recherche encore inédite.

Il y a encore une certaine controverse en jeu entre les deux équipes, cependant. Comme l’a expliqué à OpenMind le physicien Chao-Yang Lu, également de l’UCTC et co-auteur de l’autre recherche, publiée dans Physical Review Letters, à propos des travaux de ses collègues, “l’existence même quantique de la téléportation n’a pas été confirmée”.

Le co-auteur de la même étude, Manuel Erhard de l’Université de Vienne, estime également que dans l’expérience de Liu, “les mesures et les résultats ne sont pas suffisants pour revendiquer une véritable téléportation quantique tridimensionnelle et universelle”. Liu, pour sa part, défend ses résultats : “Nous avons fait une simulation numérique et confirmé la téléportation de qutrit.”

Le débat élargit également les possibilités d’étendre le dispositif à plus de dimensions. Selon Liu, “les deux systèmes sont évolutifs”. Pour sa part, Erhard soutient que son propre système peut facilement être étendu à n’importe quelle dimension : « Le développement technologique consiste à améliorer davantage la dimensionnalité », dit-il. En revanche, il n’est pas sûr que le programme de ses collègues dise la même chose.

Mais quel est l’intérêt d’étendre ces études à d’autres dimensions ? “La téléportation quantique de haute dimension est possible dans les réseaux quantiques”, déclare Erhard à OpenMind. “Nous envisageons donc un réseau quantique potentiel basé sur un alphabet de plus grande dimension. Ceux-ci présentent l’avantage de capacités d’information plus élevées et, par exemple, d’une plus grande résistance au bruit.

Passer de qubit à qutrit, et de là à ququart, etc., jette les bases des futurs réseaux d’informatique quantique. Lu espère que sa méthode atteindra la soi-disant suprématie quantique, la puissance de l’informatique classique pour résoudre des problèmes inaccessibles : “Nous introduisons des expériences d’informatique quantique multidimensionnelle multiphotonique appelées échantillonnage de bosons, et nous espérons que dans un proche avenir, nous prévoyons de surveiller 30 à 50 photons pour atteindre la suprématie quantique.”