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En guise d'introduction

17 Juin 2002
Par Christophe Jacquemin

Une équipe australienne réussit la téléportation d'un rayon laser

DRL'équipe australienne du Dr Ping Koy Lam (Université nationale d'Australie -ANU - à Canberra), vient de réussir la téléportation de la lumière, en d'autres termes la transmission quasi instantanée à distance d'informations concernant des milliards de photons.
Si ces travaux sont la réplique d'une expérience menée par Jeff Kimble, ayant déjà eu lieu en 1998 au California Institute of Technology, il s'agit ici -selon les chercheurs- d'une technique plus fiable*, qui a d'ailleurs permis d'augmenter la distance entre le point de départ et d'arrivée.
L´équipe, qui inclut également des chercheurs européens, a "scanné" un rayon laser dans lequel elle avait introduit un élément d´information, un signal radio, puis a détruit ce rayon laser, ne laissant subsister que le signal radio, qui a été envoyé sur une station de réception située un mètre plus loin. La station a reçu la réplique exacte du rayon laser, signal radio inclus, neuf milliardièmes de secondes (neuf nanosecondes) plus tard.

Source IBM (http://www.research.ibm.com/quantuminfo/teleportation/), repris par Cyber Science actu

Précisons que les chercheurs ont téléporté ici un état de la matière (les propriétés des particules du faisceau), et non la matière elle-même. Selon la théorie de la physique quantique, deux particules (en l'occurrence ici des photons), peuvent être reliées dans ce qu'on appelle un enchevêtrement quantique. Les scientifiques australiens ont utilisé deux faisceaux -A et B- enchevêtrés et disposés aux deux extrémités d'une table. En dirigeant le laser Z qu'ils voulaient téléporter sur A à un bout de la table, l'état des particules du faisceau Z sont transmises à A. Puisque A est enchevêtré avec B, le nouvel état de A est ensuite transmis à B, situé à l'autre bout de la table. Le faisceau Z du départ est détruit, et un faisceau équivalent est créé.

Les applications visées concernent essentiellement les télécommunications et le transfert d'information, domaine dans lesquels ont peut inclure la mise au point d'ordinateurs quantiques : en utilisant le principe de la téléportation pour transporter de l'information, les machines deviendraient des milliers (voire des milliards) de fois plus puissantes et rapides que les processeurs électroniques utilisant une logique binaire. Non seulement un ordinateur quantique peut occuper au même instants de multiples états (phénomène de "superposition") mais peut agir simultanément sur tous ces états. En d'autres termes, une seule unité de traitement peut effectuer des myriades d'opérations en parallèle. Dans ce cadre, des géants de l'informatique comme IBM mènent activement les recherches dans la mise au point de puces quantiques, première étape vers la réalisation de tels ordinateurs.
Dans un domaine connexe, citons aussi la cryptographie quantique, avec l'inviolabilité de la transmission quantique d'un message servant à établir une clé cryptographique entre deux interlocuteurs A et B : toute tentative d'interception perturbe le message si bien qu'A et B sont alors avertis que la ligne a été espionnée et donc que la clé n'est pas valide**).

Quelle sera la prochaine étape en matière de téléportation ? Celle d'un atome complet ? Signalons qu'un groupe de l'Ecole Normale Supérieure de Paris (ENS) essaye de réaliser un tel télétransport. Mais ne rêvons cependant pas trop : même si l'équipe française réussissait, on ne serait pas pour autant prêt de téléporter un objet ou un être vivant il y car, comme le souligne Ping Koy Lam, "la complexité d'une téléportation croît de façon exponentielle avec la taille de l'objet à téléporter et dans ces conditions, compte tenu du nombre d'atomes dans un être humain, je pense qu'il faudra des siècles avant que nous puissions sérieusement envisager de nous téléporter et d'arriver à destination en un seul morceau."

Cela dit, l'expérience australienne confirme à nouveau la validité théorique de la physique quantique, dont les étranges propriétés ne sont pas seulement des curiosités théoriques et abstraites mais peuvent être maîtrisés. De là émergeront sûrement de grandes innovations et découvertes.

*Expérience améliorée en ajoutant un cristal qui stabilise les fluctuations des deux faisceaux laser jumelés
**Le record de distance actuel pour la transmission des clés cryptographiques à travers un réseau de fibres optiques est de 67 km, entre Genève et Lausanne (codage de la phase des photons). D'autres types de codage sont envisageables, comme celui utilisant des impulsions lumineuses de durée finie qui se recouvrent partiellement (codage temporel).

Quelques repères

1935 : Einstein, Podolski et Rosenberg (EPR) publient un article racontant une expérience imaginaire (impossible à réaliser à l'époque où l'article a été écrit) afin de mesurer la position et le moment d’une paire de systèmes de protons. En ayant recours à la mécanique quantique conventionnelle, ils obtiennent des résultats extrêmement surprenants, qui les amènent à conclure que cette théorie ne donne pas une description complète de la réalité physique. Véritablement paradoxaux, ces résultats sont basés sur un raisonnement impeccable, mais leur conclusion selon laquelle la théorie est incomplète n’en est pas pour autant justifiée. Dans leur développement, les auteurs montrent que la mesure effectuée sur le proton 1 donne un état déterminé pour le proton 2, en fonction de la direction de la mesure choisie, bien que les deux particules puissent être à des millions de kilomètres l’une de l’autre, et n’interagissent pas entre elles à l’instant considéré. Einstein et ses deux collaborateurs estiment alors que cette conclusion est si manifestement fausse que la théorie de la physique quantique sur laquelle elle est basée ne peut être qu’incomplète. Les auteurs en concluent qu’une théorie juste devrait comporter certaines variables cachées ( pour eux non encore découvertes) assurant une liaison entre les particules (paradoxe EPR), permettant de retrouver le déterminisme de la physique classique.
A. Einstein, B. Podolsky, N. Rosen: "Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete?" Physical Review 41,15 Mai 1935, pages 777-780, dont on trouvera le fac simile sur http://www.burgy.50megs.com/epr.htm


1982 : Les physiciens disposent enfin de la technologie nécessaire pour exécuter la fameuse expérience EPR. L'équipe d'Alain Aspect, à Orsay, est la première à montrer de manière irréfutable l'erreur d'Einstein et de ses deux collègues : les particules interagissent bel et bien à grande distance, sans l'aide d'aucune entité, ou "variable" cachée. Cette expérience remarquable* vient valider de manière rigoureuse la théorie quantique et montre que deux particules qui ont interagi à un moment (comme les protons évoqués dans l'article d'Einstein) conserveront un lien, quelle que soit la distance qui les sépare. Ainsi, si l'on modifie la polarisation d'une particule (son orientation électromagnétique), une particule jumelle issue de la même source, mais désormais située à un mètre ou à des milliers de kilomètres subira instantanément la même modification. La réalité est non locale. Partant de ce constat, utiliser ce principe de non-séparabilité de la fonction d'onde pour tenter une téléportation de particules fait désormais partie des possibles. En d'autres termes,
puisque des particules interagissent, on doit pouvoir s'arranger pour qu'elles communiquent entre elles, qu'elles s'envoient des messages...
* Expérience ingénieuse dans laquelle la corrélation entre les deux moments angulaires est mesurée, dans un intervalle de temps extrêmement court, par un système de commutation à haute fréquence. Cet intervalle est plus court que le temps nécessaire pour que le signal lumineux ait parcouru la distance séparant les positions de mesure respectives de chaque particule. Selon la théorie de la relativité spéciale d’Einstein, aucun message ne peut être transmis plus vite que la lumière. Il est par conséquent impossible qu’une information concernant la direction de la mesure sur le premier proton atteigne le second proton avant que cette mesure soit effectuée. L'expérience montre ainsi que les systèmes quantiques comportent entre eux des relations qui ne peuvent s’expliquer par la physique classique. Bohr a eu raison contre Einstein : la théorie de la physique quantique est valide, elle implique "un tout indivisible, au sein duquel l’instrument d’observation est inséparable de ce qui est observé".
Alain Aspect, Philippe Grangier, and Gérard Roger : "Experimental realization of Einstein-Podolsky-Rosen-Bohm gedankenexperiment: A new violation of bell's inequalitie", Physical Review Letters, 49:91, 1982 (voir http://prola.aps.org/abstract/PRL/v49/i2/p91_1).

1993 : L'américain Charles Bennett (aujourd'hui l'un des spécialistes mondiaux en matière de cryptographie quantique) entouré de 5 collègues -un américain, un israélien, un australien et deux québécois, dont un travaillant à l'Ecole Normale supérieure de Paris- publient un article purement théorique concernant la téléportation. Les six auteurs ont inventé une méthode pour reproduire à l'identique une particule en téléportant non la particule elle-même, mais l'information nécessaire à sa duplication. C. Benett et ses collègues ont en effet l'idée d'utiliser un couple de particules possédant les propriétés de la non-séparabilité. Schématiquement, le processus consiste à faire interagir une particule B avec une particule A, et la jumelle de A, A', se transforme alors pour acquérir une propriété de B.

C.H. Bennett, G. Brassard, C. Crépeau, R. Jozsa, A. Peres, and W. Wootters : "Teleporting an unkown quantum state by dual classical and EPR channels", Physical Review Letter, 70:1895-1898, 29 mars 1993 (voir http://cornell.mirror.aps.org/abstract/PRL/v70/i13/p1895_1)

1997 : Débuts véritables de l'histoire de la téléportation : ce qui n'était encore que théorique en 1993 devient réalité lorsque l'équipe d'Anton Zeilinger (professeur au Département de physique expérimentale de l'Université d'Innsbruck en Autriche) et celle de Francesco Martini (université de Rome, en Italie) téléportent l'état quantique d'un photon*. Cela dit, l'expérience ne réussit qu'une fois sur quatre.
*Entre deux points séparés du laboratoire, l'état de polarisation d'un photon 1 a été transféré instantanément au photon 3 par l'intermédiaire d'un "photon transporteur" (photon 2).
Dik Bouwmeester, Jian-Wei Pan, Klaus Mattle, Manfred Eibl, Harald Weinfurter & Anton Zeilinger : "Experimental quantum teleportation", Nature, Vol. 390, 11 décembre 1997, p. 575
(abstract : http://www.nature.com/cgi-taf/DynaPage.taf?file=/
nature/journal/v390/n6660/abs/390575a0_r.html
)

1998 : L'équipe américaine de Jeff Kimble (Norman Bridge Laboratory of Physics, California Institute of Technology, Pasadena) en association avec des physiciens danois (Aarhus University) et britanniques (University of Wales) franchit une étape supplémentaire par rapport aux expériences de 1997 en téléportant les propriétés d'un faisceau de lumière (soit de milliards de photons) et en recréant plus loin son double parfait. L'équipe montre ainsi qu'une grosse quantité d'informations est téléportable de façon fiable.
A. Furusawa, J. L. Sørensen, S. L. Braunstein, C. A. Fuchs, H. J. Kimble, and E. S. Polzik : "Unconditional Quantum Teleportation", Science Oct 23 1998: 706-709. (http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/282/5389/706)

2001 :
- septembre : Des chercheurs danois de l’université d’Aarhus (dont l'un faisait partie de l'article publié en 1998 -voir ci-dessus) réussissent à relier par enchevêtrement quantique deux nuages de césium distants l'un de l'autre, créant un "lien télépathique" entre eux et leurs particules éloignées.
Rapportés dans Nature, ces travaux sont de premières importance car jusqu'ici l'enchevêtrement n'avait pu être observé que pour quelques atomes, au niveau microscopique, et l'on pensait qu'il ne pouvait en être autrement. Mais avec de nouvelles méthodes, les scientifiques ont démontré expérimentalement qu'il est possible de générer cet enchevêtrement quantique pour deux objets macroscopiques séparés, chacun consistant en un gaz de césium contenant près de 1012 atomes.

Brian Julsgaard, Alexander Kozhekin & Eugene S. Polzik : "Experimental long-lived entanglement of two macroscopic objects", Nature n° 413 du 27 septembre 2001, pages 400 à 403 (abstract http://www.nature.com/cgi-taf/DynaPage.taf?file=/nature/journal/v413/n6854/abs/413400a0_fs.html)

- décembre : Des scientifiques californiens du centre de Recherche Almaden d'IBM et de l'Université de Stanford réussissent la mise en facteur du nombre 15 (par l'algorithme de Peter Shor) à l'aide d'un ordinateur quantique.
Lievent M.K. Vandersypen, Matthias Steffen, Gregory Breyta, Costantino S. Yannoni, Mark Sherwood & Issaac L. Chuang :"Experimental realization of Shor's quantum factoring algorithm using nuclear magnetic resonance", Nature n°414, pages 883–887 (abstract : http://www.nature.com/cgi-taf/DynaPage.taf?file=/nature/journal/v414/n6866/abs/414883a_fs.html)

Pour en savoir plus :
- Sur la téléportation
Expérience menée par Ping Koy Lam :
http://bohm.anu.edu.au/units/public/phys1007/s3296225/research.html
; page d'accueil du site de Ping Koy Lam : http://photonics.anu.edu.au/pingkoy/
Expérience menée en 1998 par l'équipe de Jeff Kimble (Quantum Optics Group) http://www.cco.caltech.edu/~qoptics/teleport.html
Expérience menée en 1997 par l'équipe d'Anton Zeilinger
http://www.quantum.univie.ac.at/research/teleport/
Travaux de Charles Dennett: site IBM
http://www.research.ibm.com/quantuminfo/teleportation/

Voir aussi notre actualité du 27/09/2001 : "Un pas vers la téléportation"

- Sur l'ordinateur quantique
Notre actualité du 19/12/2001 : "Factorisation du nombre 15 par ordinateur quantique"
Notre actualité du 19/06/2001 : "Un petit pas vers l'ordinateur quantique"
Notre article "Piège à lumière, ou les premiers pas vers les ordinateurs quantiques du futur ?" (25 janvier 2000)

- Sur la cryptographie
Notre article du 17 avril 2000 : "Des chercheurs de l'INRIA cassent l'une des plus sûres clés de cryptage" http://www.admiroutes.asso.fr/action/theme/science/actu/2000/
avril.htm#cryptage

Notre article du 13/08/1999 : "Optique quantique et sécurisation de l'information" http://www.admiroutes.asso.fr/action/theme/science/crypto.htm



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