Le mois dernier, deux développements intéressants dans le domaine de la technologie quantique ont eu lieu à la fois: des scientifiques chinois ont téléporté des photons de lumière d'une station au sol vers un satellite spatial et une conférence annuelle des principaux experts en physique quantique s'est tenue à Moscou. Business Insider a pu capturer le Dr Eugene Polzik de l'Institut Niels Bohr, l'un des principaux experts en téléportation quantique, et l'a interrogé sur une variété de questions, y compris le succès exceptionnel de ses collègues chinois.
«Des téléportations de ce type ont été effectuées dans des conditions de laboratoire depuis 1997, mais les scientifiques chinois ont réussi à obtenir cet incroyable effet technologique à une grande distance», a déclaré Polzik.
En 2012, une équipe de scientifiques européens a téléporté avec succès des photons entre les deux îles Canaries. La distance entre les appareils émetteurs et récepteurs était de 141 kilomètres. Des chercheurs chinois ont réussi à battre ce record en juillet, lorsqu'ils ont téléporté avec succès des photons sur une distance de 500 kilomètres.
Nous rêvons depuis longtemps d'une telle technologie de Star Trek, même si notre intuition a toujours dit que la téléportation est fondamentalement impossible. Cependant, la physique de notre monde réel, dans lequel nous vivons tous les jours, ne ressemble guère à la physique du monde quantique. Ici, les lois d'une pierre tombant d'une falaise et gouvernant les électrons et les photons individuels de lumière sont complètement différentes de ce que nous avons l'habitude de voir. Par conséquent, dans un monde aussi bizarre, presque tout est possible, y compris la téléportation. Comment comprendre tout cela? Le point de départ est l'intrication quantique.
Qu'est-ce que l'intrication quantique?
Parfois, deux particules quantiques se révèlent être liées au miroir. Quoi qu'il arrive à l'une de ces particules, il en sera de même pour l'autre. Même s'ils sont séparés par de grandes distances. Ce sont toujours deux objets distincts, mais ils sont identiques en tout. Lorsque deux particules partagent leurs états l'une avec l'autre, ces particules sont dites intriquées.
«Supposons que j'ai créé une paire de photons intriqués», explique Polzik.
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«J'en garde un, et j'envoie l'autre avec un laser vers un satellite spatial en orbite, espérant que le photon atteindra sa destination. La téléportation ne peut être considérée comme réussie que lorsque l'état d'intrication à deux photons est séparé entre les stations émettrices et réceptrices."
La principale difficulté technique du processus de téléportation réside dans le transfert d'un photon à une certaine distance de la particule partenaire intriquée. Dans le cas de l'expérience chinoise, un photon se trouvait dans un laboratoire sur Terre et le second a été envoyé avec succès à un satellite en orbite. Les changements survenus avec le photon sur Terre dans le cadre des manipulations des scientifiques ont également affecté le photon dans l'espace - il s'agit de la téléportation quantique dans sa forme la plus pure.
Comment comprendre si le satellite a reçu le photon souhaité, et non une particule de lumière aléatoire?
Ceci est relativement facile à faire grâce à un processus appelé filtrage spectral. Il permet aux scientifiques d'identifier et de suivre des photons individuels de lumière en les étiquetant avec un numéro d'identification unique.
«Vous connaissez la fréquence du photon que vous envoyez, vous connaissez sa directivité. Le satellite est dirigé vers la source d'expédition située sur Terre. Si vous disposez d'un très bon équipement optique des deux côtés, cette optique ne voit que la source, et rien d'autre », poursuit Polzik.
La méthode de filtrage spectral est indifférente au «bruit» sous forme d'autres photons. Par exemple, dans la même expérience aux Canaries, la transmission a été effectuée sous un ciel clair et ensoleillé.
Il y a eu un transfert de millions de photons vers le satellite, mais seulement 900 ont atteint la destination. Pourquoi?
Plus vous essayez d'envoyer le photon intriqué loin, moins ce processus devient efficace. De plus, l'atmosphère terrestre est en mouvement constant, il est donc facile de perdre des photons sur leur chemin dans l'espace extra-atmosphérique.
«Même s'il n'y avait pas d'atmosphère, il faut quand même focaliser le faisceau lumineux pour qu'il soit dirigé vers le satellite. Si vous placez un pointeur laser sur votre paume, le point de lumière sera petit, mais si vous retirez simplement le laser, le point devient plus grand - c'est la loi de la diffraction », explique Polzik.
Depuis le sol, il est assez difficile pour la lumière de pénétrer dans l'espace (vers un récepteur optique installé sur un satellite en orbite). Cela déforme beaucoup, donc la plupart des photons ne vont nulle part.
«Une téléportation réussie ne peut être obtenue que sur une très courte période de temps. Dans un sens général, cela est très peu pratique, mais néanmoins, on peut trouver des moyens d'utiliser cette technologie », poursuit Polzik.
La téléportation quantique est-elle une capacité de transfert instantané?
Pas vraiment. Les objets téléportables ne disparaissent pas puis réapparaissent ailleurs. Les scientifiques utilisent l'intrication pour transférer des informations sur l'état quantique d'un photon à un autre. Sans cette information, le photon devra couvrir physiquement toute la distance entre l'émetteur et le récepteur. Là encore, les informations ne sont pas transmises instantanément. Cela n'est possible que lorsque l'émetteur mesure l'état quantique de son photon, modifiant ainsi l'état du photon au niveau du récepteur. En raison de l'intrication quantique, essentiellement un photon "devient" un autre photon.
Alors, à quoi ça sert?
La téléportation quantique est capable de prouver le concept de la possibilité de créer un réseau de communication mondial ultra-sécurisé. Comme une clé qui ouvre une serrure, un message transmis sur un réseau quantique n'atteindra que le destinataire qui possède le photon correctement intriqué, ce qui permettra à ce message d'être reçu et lu.
Albert Einstein a autrefois appelé l'intrication quantique «action effrayante à longue portée», mais cette action à longue portée est l'élément fondamental qui fait que tout fonctionne. Et un jour, il pourrait devenir le moteur de notre communication sécurisée à l'avenir.
Nikolay Khizhnyak
