La première téléportation quantique entre deux objets macroscopiques.

La téléportation quantique est une technique discutée dans le cadre de la théorie quantique de l’information pour transférer un état quantique à travers l’espace, en utilisant des états intriqués et la transmission d’une information classique.

Indiscernabilité

Supposons qu’Alice possède un atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple...) de rubidium (l’élément chimique préféré des physiciens pour ce type d’expérience), qui est dans son état fondamental (En physique quantique, les états fondamentaux d'un système sont les états quantiques de plus basse énergie. Tout état d'énergie supérieure à celle des états...), que Bertrand dispose d’un atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement constitué d'un...) répondant aux mêmes caractéristiques. Il est important de noter que ces deux atomes sont indistingables, ce qui signifie qu’il n’y a aucune différence entre eux.

Si Alice et Bertrand avaient par exemple deux boules de verre (Dans le langage courant, le mot verre sert à désigner un matériau dur, fragile (cassant) et transparent.) semblant identiques et qu’ils les échangeaient, alors quelque chose changerait. Si on disposait d’un microscope très puissant, on pourrait trouver une différence entre les deux boules. Avec des atomes du même type et dans le même état quantique (En mécanique quantique, l'état d'un système décrit tous les aspects du système physique. Il est représenté par un objet mathématique qui donne le maximum d'information possible sur le système,...), il n’y a réellement aucune différence. La situation physique (La physique (du grec φυσικη) est étymologiquement la science de la nature. Son champ d'application actuel est néanmoins plus restreint : la...) dans laquelle Alice a le premier atome et Bertrand le second est exactement la même qu’en inversant les atomes. D’une certaine manière, il est faux même de dire que les atomes sont différents l’un de l’autre. Il serait plus approprié de dire que les deux emplacements dans l’espace ont la propriété que les champs quantiques fondamentaux ont les valeurs définissant l’état fondamental de l’atome de rubidium.

La téléportation (On nomme téléportation le transfert d'un corps dans l'espace sans parcours physique des points intermédiaires entre départ et arrivée. Le thème a été...) quantique : le résultat

Maintenant, imaginons que l’atome d'Alice soit dans un état quantique compliqué (excité). Supposons de plus qu’on ne connaisse pas cet état quantique – et, bien sûr, nous ne pouvons pas l’obtenir par la mesure. Mais ce que nous pouvons faire est de téléporter l’état quantique vers l’atome de rubidium de Bertrand. Après cette opération, l’atome de Bertrand sera exactement dans l’état dans lequel se trouvait celui d’Alice.

Il faut noter que l’atome de Bertrand après l’opération est indistingable de celui d’Alice avant l’opération. D’une certaine manière, les deux sont le même – parce que cela n’a pas de sens d’affirmer que les deux atomes sont différents simplement parce qu’ils sont à des emplacements différents. Si Alice avait rendu visite à Bertrand et lui avait donné l’atome, on aurait exactement la même situation physique.

Mais Alice et Bertrand ne sont pas obligés de se rencontrer. Ils ont simplement besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois...) de partager l’intrication.

Pour comprendre ce que cela signifie, revenons à l’abstraction ( En philosophie, l'abstraction désigne à la fois une opération qui consiste a isoler par la pensée une ou plusieurs qualités d'un objet concret pour en former une...) des qubits. Les atomes sont maintenant dans un état de la forme α |état fondamental> + β |premier état excité> (en utilisant la notation bra-ket).

La méthode

En prérequis, Bertrand a produit deux particules (ou atomes, pour rester dans un exemple concret) appelées ? et ??, qui sont dans intriqués au degré maximal, par exemple dans l’état de Bell (Bell Aircraft Corporation est un constructeur aéronautique américain fondé le 10 juillet 1935. Après avoir construit des avions de combat durant la Seconde Guerre mondiale, mais aussi le premier avion à avoir franchi le...) .

Cela signifie que si les particules ? et ?? ne sont ni dans l’état |0> ni dans l’état |1>, mais plutôt dans les deux simultanément, et que si on mesure l’une d’entre elles on trouvera sa valeur à |0> et |1> avec une probabilité (Probabilité vient du latin probare (prouver, ou tester). Le mot probable signifie « qui peut se produire » dans le cas de futures...) égale de 1/2. Mais l’autre est alors obligatoirement dans le même état, et cela les connecte par une certaine action à distance.

Bertrand a donné à Alice la particule ? (en la déplaçant à travers un tunnel quantique) et a gardé la particule ??. À partir de maintenant, Alice peut envoyer un état quantique à Bertrand, dès qu’elle le veut (ou, à l’inverse, Bertrand peut en envoyer un à Alice).

Si Alice a maintenant une particule qu’elle veut téléporter à Bertrand, elle effectue ce qu’on appelle une mesure de Bell sur la particule à envoyer et sur la particule ?. La mesure de Bell projette les deux particules d’Alice dans un des quatre états de Bell. Les deux particules mesurées sont par la suite dans un état dit intriqué, spécifié par le résultat de la mesure, et la particule à envoyer a perdu son état précédent. Cet état, cependant, n’a pas disparu : il a été téléporté à la particule ?? de Bertrand du fait de l’intrication préexistante.

Un problème subsiste néanmoins : l’état de la particule de Bertrand pourra être en rotation. Cela dépend du résultat de la mesure d’Alice, et Alice doit dire à Bertrand ce résultat en utilisant des canaux de communications classiques (c’est-à-dire ordinaires) et Bertrand pourra alors appliquer une opération unitaire (appelée Opérateur (Le mot opérateur est employé dans les domaines :) de Pauli) à cette particule^[1]. Par la suite, il dispose alors réellement de l’état désiré.

Expérimentations

La première démonstration (En mathématiques, une démonstration est un raisonnement qui permet, à partir de certains axiomes, d'établir qu'une assertion est nécessairement vraie.) expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan culturel et politique. En science, il s'agit d'approches...) de l’intrication fut effectuée à l’université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Peirce[1], un philosophe américain a défini 1891...) d’Innsbruck (en Autriche) en 1997, par le groupe de Anton Zeilinger. Leur configuration permit de téléporter l’état quantique de polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En électronique, la polarisation est le fait d'appliquer une...) à travers une table optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière et de ses relations avec la vision.). Une expérience ayant eu lieu quelque temps (Le temps est un concept développé pour représenter la variation du monde : l'Univers n'est jamais figé, les éléments qui le composent bougent, se transforment et évoluent...) plus tôt à Rome, par le groupe de De Martini, avait montré le principe de la téléportation, mais en impliquant seulement deux particules, au lieu de trois : une transportant l’information à téléporter, et deux particules intriquées, qui fournissent le canal quantique et doivent être indépendantes de celle transportant l’état.

En 2004, un autre groupe de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques....) à l’université d’Innsbruck et un groupe au NIST démontra la téléportation d’atomes : l’état quantique électronique d’un ion de Calcium fut téléporté vers un autre, l’ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble, désigne intuitivement une collection d’objets (que l'on appelle éléments de l'ensemble), « une...) des ions étant contenu dans un piège à ions linéaire.

Le 2 juillet 2006, des physiciens à l'Université de Genève ont à nouveau réussi à réaliser une opération de téléportation quantique (La téléportation quantique est une technique discutée dans le cadre de la théorie quantique de l’information pour transférer un état quantique à travers...), en utilisant les propriétés d'intrication des photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit d'un point de vue quantique...), au sein de fibres (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se présentant généralement sous forme de faisceaux.) optiques longues de 800 mètres appartenant à Swisscom (Swisscom (SWX : SCMN) est l'entreprise leader du marché suisse des télécommunications. Elle est le résultat de la division des PTT en 1998 et appartient encore majoritairement à l'État (62,4%). Elle a...).

Le rayon de téléportation de Star Trek

Le fait que le terme téléportation rappelle le processus de téléportation dans la série télé Star Trek peut tout à fait avoir été intentionnel. Néanmoins, cette analogie est rapide, car elle ne souligne pas un point (Graphie) important : seule l'information sur l’état quantique est transmise ici, la particule recevant l’information devant déjà être présente.

Permutation (En mathématiques, la notion de permutation exprime l'idée de réarrangement d'objets discernables. Une permutation de n objets distincts rangés dans un certain ordre, correspond à un changement de...) de l’intrication

Si un état en téléportation est lui-même intriqué avec un autre état, l’intrication est téléportée avec lui. Si Alice a une particule qui est intriquée avec une particule détenue par Carole, et qu’elle la téléporte à Bertrand, à l’issue de l’opération la particule de Bertrand est intriquée avec celle de Carole.

Autre exemple plus symétrique : Supposons qu’Alice possède une particule, Bertrand deux et Carole une seule. La particule de Alice et la première de Bertrand sont intriquées, de même que la seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de...) de Bertrand et celle de Carole :

Alice -:-:-:-:- Bertrand1 Bertrand2 -:-:-:-:- Carole

Maintenant Bertrand effectue une mesure de Bell sur ces deux particules, qui projette chacune d’entre elles dans un état de Bell, c’est-à-dire qu’elles sont maintenant intriquées. Mais, de manière plus spectaculaire encore, celle d’Alice et celle de Carole sont maintenant intriquées, bien qu’elles n’aient jamais été en contact.

 
 Alice              Bertrand1 -:- Bertrand2           Carole 
 |                                        | 
 \-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-:-/ 
 

Cet effet permet (au moins en théorie) de construire un répéteur (Le répéteur , encore appelé répéteur-régénérateur est un matériel électronique servant à amplifier un signal numérique, et ainsi étendre la distance maximale entre deux nœuds d'un réseau.) quantique. Le site [(lien)] donne plus d’information sur un nœud d’un tel répéteur.

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