Professeur de physique à l'Institut Niels Bohr de Copenhague, l'un des pionniers de la téléportation quantique, Eugene Polzik, a expliqué à RIA Novosti où se situe la frontière entre les mondes "réel" et "quantique", pourquoi une personne ne peut pas être téléportée et comment il a réussi à créer de la matière avec une "masse négative".
Il y a cinq ans, son équipe a d'abord mis en œuvre une expérience pour téléporter non pas un seul atome ou particule de lumière, mais un objet macroscopique.
Il a récemment présidé le conseil consultatif international du Russian Quantum Center (RQC), en remplacement de Mikhail Lukin, créateur de l'un des plus grands ordinateurs quantiques au monde et leader mondial de l'informatique quantique. Selon le professeur Polzik, il se concentrera sur le développement et la réalisation du potentiel intellectuel des jeunes scientifiques russes et sur le renforcement de la participation internationale aux travaux du RCC.
«Eugène, l'humanité sera-t-elle jamais capable de téléporter plus que des particules simples ou une collection d'atomes ou d'autres objets macroscopiques?
- Vous n'avez aucune idée de la fréquence à laquelle on me pose cette question - merci de ne pas me demander s'il est possible de téléporter une personne. En termes très généraux, la situation est la suivante.
L'univers est un objet gigantesque, enchevêtré au niveau quantique. Le problème est que nous ne pouvons pas "voir" tous les degrés de liberté de cet objet. Si nous prenons un grand objet dans un tel système et essayons de le considérer, alors les interactions de cet objet avec d'autres parties du monde généreront ce que l'on appelle un "état mixte" dans lequel il n'y a pas d'enchevêtrement.
Le soi-disant principe de la monogamie opère dans le monde quantique. Cela s'exprime dans le fait que si nous avons deux objets idéalement enchevêtrés, alors les deux ne peuvent pas avoir de «connexions invisibles» aussi fortes avec d'autres objets du monde environnant qu'entre eux.
Eugene Polzik, professeur à l'Institut Niels Bohr de Copenhague et chef du comité consultatif international du RCC. Photo: RCC.
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Revenant à la question de la téléportation quantique, cela signifie qu'en principe, rien ne nous empêche de confondre et de téléporter un objet de la taille d'au moins l'univers entier, mais en pratique, cela nous empêchera de voir toutes ces connexions en même temps. Par conséquent, nous devons isoler les macro-objets du reste du monde lorsque nous menons de telles expériences, et leur permettre d'interagir uniquement avec les objets «nécessaires».
Par exemple, dans nos expériences, il a été possible d'accomplir cela pour un nuage contenant un billion d'atomes, du fait qu'ils étaient dans le vide et maintenus dans un piège spécial qui les isolait du monde extérieur. Ces caméras, d'ailleurs, ont été développées en Russie - dans le laboratoire de Mikhail Balabas à l'Université d'État de Saint-Pétersbourg.
Plus tard, nous sommes passés à des expériences sur des objets plus grands qui peuvent être vus à l'œil nu. Et maintenant, nous menons une expérience sur la téléportation des vibrations apparaissant dans des membranes minces faites de matériaux diélectriques mesurant millimètre par millimètre.
Maintenant, d'un autre côté, je suis personnellement plus intéressé par d'autres domaines de la physique quantique, dans lesquels, il me semble, de véritables percées auront lieu dans un avenir proche. Ils surprendront certainement tout le monde.
Où exactement?
- Nous savons tous bien que la mécanique quantique ne nous permet pas de savoir tout ce qui se passe dans le monde qui nous entoure. En raison du principe d'incertitude de Heisenberg, nous ne pouvons pas mesurer simultanément toutes les propriétés des objets avec la plus grande précision possible. Et dans ce cas, la téléportation se transforme en un outil qui nous permet de contourner cette limitation, en transférant non pas des informations partielles sur l'état de l'objet, mais l'objet entier lui-même.
Les mêmes lois du monde quantique nous empêchent de mesurer avec précision la trajectoire du mouvement des atomes, électrons et autres particules, car il est possible de connaître soit la vitesse exacte de leur mouvement, soit leur position. En pratique, cela signifie que la précision de tous les types de capteurs de pression, de mouvement et d'accélération est strictement limitée par la mécanique quantique.
Récemment, nous nous sommes rendu compte que ce n'était pas toujours le cas: tout dépend de ce que nous entendons par «vitesse» et «position». Par exemple, si pendant de telles mesures nous n'utilisons pas des systèmes de coordonnées classiques, mais leurs équivalents quantiques, alors ces problèmes disparaîtront.
En d'autres termes, dans le système classique, nous essayons de déterminer la position d'une particule particulière par rapport, grosso modo, à une table, une chaise ou un autre point de référence. Dans un système de coordonnées quantiques, le zéro sera un autre objet quantique avec lequel le système qui nous intéresse interagit.
Il s'est avéré que la mécanique quantique permet de mesurer les deux paramètres - à la fois la vitesse de déplacement et la trajectoire - avec une précision infiniment élevée pour une certaine combinaison de propriétés du point de référence. Quelle est cette combinaison? Un nuage d'atomes servant de zéro du système de coordonnées quantiques doit avoir une masse négative effective.
En fait, bien sûr, ces atomes n'ont pas de "problèmes de poids", mais ils se comportent comme s'ils avaient une masse négative, du fait qu'ils sont situés de manière particulière les uns par rapport aux autres et se trouvaient à l'intérieur d'un champ magnétique spécial. Dans notre cas, cela conduit au fait que l'accélération de la particule diminue, mais n'augmente pas son énergie, ce qui est absurde du point de vue de la physique nucléaire classique.
Cela nous aide à nous débarrasser des changements aléatoires de position des particules ou de leur vitesse de mouvement qui se produisent lorsque nous mesurons leurs propriétés à l'aide de lasers ou d'autres sources de photons. Si nous plaçons un nuage d'atomes de «masse négative» sur le trajet de ce rayon, il interagira d'abord avec eux, puis il volera à travers l'objet à l'étude, ces perturbations aléatoires s'éliminent mutuellement et nous pourrons mesurer tous les paramètres avec une précision infiniment élevée.
Tout cela est loin d'être théorique - il y a quelques mois, nous avons déjà testé ces idées expérimentalement et publié le résultat dans la revue Nature.
Y a-t-il des utilisations pratiques pour cela?
- Il y a un an, j'ai déjà dit, parlant à Moscou, qu'un principe similaire de "suppression" de l'incertitude quantique peut être utilisé pour améliorer la précision des travaux du LIGO et d'autres observatoires gravitationnels.
Ce n'était alors qu'une idée, mais maintenant elle a commencé à prendre forme. Nous travaillons à sa mise en œuvre avec l'un des pionniers des mesures quantiques et un participant au projet LIGO, le professeur Farid Khalili du RCC et de l'Université d'État de Moscou.
Bien sûr, nous ne parlons pas d'installer un tel système sur le détecteur lui-même - c'est un processus très compliqué et long, et LIGO lui-même a des plans dans lesquels nous ne pouvons tout simplement pas entrer. D'un autre côté, ils s'intéressent déjà à nos idées et sont prêts à nous écouter davantage.
Dans tous les cas, vous devez d'abord créer un prototype fonctionnel d'une telle installation, qui montrera que nous pouvons vraiment franchir la frontière de la précision de mesure imposée par le principe d'incertitude de Heisenberg et d'autres lois du monde quantique.
Nous allons mener les premières expériences de ce type sur un interféromètre de dix mètres à Hanovre, une copie plus petite de LIGO. Nous assemblons maintenant tous les composants nécessaires à ce système, y compris un support, des sources lumineuses et un nuage d'atomes. Si nous réussissons, alors je suis sûr que nos collègues américains nous écouteront - il n'y a pas encore d'autres moyens de contourner la limite quantique.
Les partisans des théories quantiques déterministes, qui croient que les chances n'existent pas dans le monde quantique, considéreront-ils ces expériences comme la preuve de l'exactitude de leurs idées?
- Pour être honnête, je ne sais pas ce qu'ils en pensent. L'année prochaine, nous organisons une conférence à Copenhague sur les frontières entre la physique classique et quantique et des questions philosophiques similaires, et ils peuvent y assister s'ils souhaitent présenter leur vision de ce problème.
J'adhère moi-même à l'interprétation classique de Copenhague de la mécanique quantique et admets que les fonctions d'onde ne sont pas limitées en taille. Jusqu'à présent, nous ne voyons aucun signe que ses dispositions sont violées quelque part ou en contradiction avec la pratique.
Laboratoire d'Optique Quantique au Centre Quantique Russe. Photo: RCC.
Ces dernières années, les physiciens ont effectué d'innombrables tests sur les inégalités de Bell et le paradoxe d'Einstein-Podolski-Rosen, qui excluent complètement la possibilité que des variables cachées ou d'autres choses en dehors du cadre de la théorie quantique classique puissent régir le comportement des objets au niveau quantique.
Par exemple, il y a quelques mois, une autre expérience a fermé tous les «trous» possibles dans les équations de Bell utilisées par les partisans de la théorie des variables cachées. On ne peut, pour paraphraser Niels Bohr et Richard Feynman, que «se taire et expérimenter»: il me semble qu'il ne faut se poser que les questions auxquelles on peut répondre par des expériences.
Si nous revenons à la téléportation quantique - étant donné les problèmes que vous avez décrits: trouvera-t-elle une application dans les ordinateurs quantiques, les satellites de communication et autres systèmes?
- Je suis sûr que les technologies quantiques pénétreront de plus en plus les systèmes de communication, et elles entreront rapidement dans notre vie quotidienne. On ne sait pas encore exactement comment - l'information, par exemple, peut être transmise à la fois par téléportation et par des lignes à fibre optique ordinaires utilisant des systèmes de distribution de clés quantiques.
La mémoire quantique, à son tour, je crois, deviendra également une réalité après un certain temps. Au minimum, il sera nécessaire de créer des répéteurs pour les signaux et systèmes quantiques. D'un autre côté, il est difficile de prévoir comment et quand tout cela sera mis en œuvre.
Tôt ou tard, la téléportation quantique ne deviendra pas exotique, mais une chose quotidienne que tout le monde pourra utiliser. Bien sûr, il est peu probable que nous assistions à ce processus, mais les résultats de ses travaux, y compris les réseaux de transmission de données sécurisés et les systèmes de communication par satellite, joueront un rôle énorme dans nos vies.
Jusqu'où les technologies quantiques pénétreront-elles dans d'autres sphères de la science et de la vie qui ne sont pas liées à l'informatique ou à la physique?
- C'est une bonne question, à laquelle il est encore plus difficile de répondre. Lorsque les premiers transistors sont apparus, de nombreux scientifiques pensaient qu'ils ne trouveraient une utilité que dans les appareils auditifs. C'est ce qui s'est passé, bien que maintenant seule une très petite proportion de dispositifs à semi-conducteurs soit utilisée de cette manière.
Néanmoins, il me semble qu'une percée quantique se produira effectivement, mais pas partout. Par exemple, tous les gadgets et appareils qui interagissent avec l'environnement et mesurent d'une manière ou d'une autre ses propriétés atteindront inévitablement la limite quantique, dont nous avons déjà parlé. Et nos technologies les aideront à contourner cette limite, ou du moins à minimiser les interférences.
De plus, nous avons déjà résolu l'un de ces problèmes en utilisant la même approche de «masse négative», en améliorant les capteurs de champ magnétique quantique. De tels appareils peuvent trouver des applications biomédicales très spécifiques - ils peuvent être utilisés pour surveiller le travail du cœur et du cerveau, évaluer les chances de contracter une crise cardiaque et d'autres problèmes.
Mes collègues du RCC font quelque chose de similaire. Nous discutons maintenant ensemble de ce que nous avons accompli, essayant de combiner nos approches et d'obtenir quelque chose de plus intéressant.
