Les expériences "Qutrit" sont une première dans la téléportation quantique

Les expériences "Qutrit" sont une première dans la téléportation quantique
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Pour la première fois, des chercheurs ont téléporté un qutrit, une unité tripartite d’information quantique. Les résultats indépendants de deux équipes constituent une avancée importante pour le domaine de la téléportation quantique, longtemps limité aux qubits, unités d’informations quantiques assimilables aux «bits» binaires utilisés en informatique classique.

Ces expériences de validation de concept démontrent que les qutrits, qui peuvent transporter plus d'informations et avoir une plus grande résistance au bruit que les qubits, peuvent être utilisés dans les futurs réseaux quantiques.

Le physicien chinois Guang-Can Guo et ses collègues de l'Université des sciences et de la technologie de Chine (USTC) le 28 avril, bien que ces travaux ne soient pas encore publiés dans une revue à comité de lecture. Le 24 juillet, l’autre équipe, une collaboration internationale dirigée par Anton Zeilinger de l’Académie autrichienne des sciences et Jian-Wei Pan de l’USTC, a annoncé ses résultats dans une publication qui a été acceptée à la publication au Lettres d'examen physique. Ce moment serré – ainsi que l’importance du résultat – a amené chaque équipe à rechercher le crédit et à critiquer le travail de l’autre.

«Chacune de ces expériences constitue une avancée importante dans la technologie de la téléportation», explique William Wootters, physicien au Williams College, qui n'a participé à aucune de ces études.

Transférer moi?

Le nom de téléportation quantique évoque une technologie issue de Star Trek, où les «transporteurs» peuvent «faire rayonner» des objets à l'échelle macroscopique, même des êtres humains vivants, entre des points éloignés dans l'espace. La réalité est moins glamour. Dans la téléportation quantique, les états de deux particules enchevêtrées sont ce qui est transporté – par exemple, le spin d'un électron. Même si elles sont éloignées les unes des autres, les particules enchevêtrées partagent un lien mystérieux. dans le cas de deux électrons enchevêtrés, tout ce qui arrive à un spin influence instantanément celui de l’autre.

La «téléportation» évoque également des visions d'une communication plus rapide que la lumière, mais cette image est également fausse. Si Alice veut envoyer un message à Bob par téléportation quantique, elle doit l'accompagner d'informations classiques véhiculées par des photons, à la vitesse de la lumière mais pas plus vite. Alors à quoi bon?

Curieusement, la téléportation quantique pourrait également s'avérer très utile pour les communications sécurisées à l'avenir, et une grande partie de la recherche est financée avec les applications de cybersécurité à l'esprit. En 2017, Pan, Zeilinger et leurs collègues ont utilisé le satellite chinois Micius pour effectuer la plus longue téléportation quantique au monde, sur 7 600 kilomètres. Deux photons, chacun jouant le rôle d'un qubit, ont été emmêlés dans le satellite et ont ensuite été renvoyés dans des directions distinctes, vers Vienne et la Chine, respectivement. En prenant des informations sur l'état des photons enchevêtrés, les chercheurs de chaque emplacement ont été en mesure de construire efficacement un mot de passe invincible, qu'ils ont utilisé pour effectuer un appel vidéo sécurisé. La technique agit comme un sceau de cire sur une lettre: toute écoute indiscrète interférerait et laisserait une marque détectable.

Les chercheurs ont tenté de téléporter des états de particules plus complexes avec un certain succès. Dans une étude publiée en 2015, Pan et ses collègues ont réussi à téléporter deux états d'un photon: son spin et son moment angulaire orbital. Pourtant, chacun de ces états était binaire – le système utilisait toujours des qubits. Jusqu'à présent, les scientifiques n'avaient jamais été téléportés dans un État aussi compliqué.

Faire l'impossible

Un bit classique peut être 0 ou 1. Sa contrepartie quantique, un qubit, est souvent dite 0. et 1 – la superposition des deux états. Considérons, par exemple, un photon qui peut présenter une polarisation horizontale ou verticale. De tels qubits sont faciles à construire pour les chercheurs.

Un élément classique peut être 0, 1 ou 2, ce qui signifie qu'un élément doit représenter la superposition des trois états. Cela rend les qutrits beaucoup plus difficiles à fabriquer que les qubits.

Les deux équipes ont utilisé la trajectoire à trois branches d'un photon, exprimée dans des systèmes optiques soigneusement orchestrés de lasers, de séparateurs de faisceau et de cristaux de borate de baryum. La célèbre expérience en double fente, selon le physicien Chao-Yang Lu, co-auteur du nouvel article de l’équipe de Pan et Zeiling, est une façon de penser à cet arrangement arcanique. Dans cette expérience classique, un photon traverse deux fentes à la fois, créant un motif d'interférence semblable à une onde. Chaque fente est à l'état 0 et 1, car un photon traverse les deux. Ajoutez une troisième fente pour le passage d’un photon. Le résultat est un qutrit, un système quantique défini par la superposition de trois états dans lesquels le trajet d’un photon code efficacement les informations.

Créer un éclair à partir d'un photon n'était que l'escarmouche d'ouverture d'une bataille plus grande. Les deux équipes ont également dû embrouiller deux quarts de cercle, ce qui n’est pas une mince affaire, car la lumière interagit rarement avec elle-même.

De manière cruciale, ils devaient confirmer l’enchevêtrement de Qutrits, également appelé État de Bell. Les états de Bell, nommés d'après John Stewart Bell, pionnier de la théorie de l'information quantique, sont les conditions dans lesquelles les particules sont enchevêtrées au maximum. Déterminer dans quel état se trouve Bell est nécessaire pour en extraire des informations et pour prouver qu’ils les ont transmises avec une grande fidélité.

Qu'est-ce qui constitue la «fidélité» dans ce cas? Wootters dit: Si Alice a un dé qui atterrit toujours sur 3, mais après l'avoir envoyé à Bob, il ne tombe que sur 3 fois sur 2, la fidélité du système est faible – les chances sont faibles. haut il corrompra l'information qu'il transmet. Il est important de transmettre un message avec précision, que la communication soit quantique ou non. Ici, les équipes se disputent pour la fidélité. Guo et ses collègues estiment que la mesure de leur état de Bell, prise sur 10 états, est suffisante pour une expérience de validation du concept. Mais les groupes de Zeiling et Pan affirment que l’équipe de Guo n’a pas réussi à mesurer un nombre suffisant d’états de Bell pour prouver de façon définitive qu’elle est suffisamment fidèle.

Malgré des tirs clairs, la rivalité entre les groupes reste relativement amicale, même si l’origine de la première téléportation quantique d’un qutrit est en jeu. Les deux équipes s'accordent sur le fait que chacune a téléporté un qutrit, et elles prévoient toutes les deux d'aller au-delà des qutrits: systèmes à quatre niveaux – ququarts – ou même plus.

Certains chercheurs sont moins convaincus, cependant. Akira Furusawa, physicien à l'Université de Tokyo, explique que la méthode utilisée par les deux équipes est mal adaptée à des applications pratiques car elle est lente et inefficace. Les chercheurs reconnaissent la critique mais défendent leurs résultats comme un travail en cours.

«La science, c'est étape par étape. Tout d'abord, vous rendez l'impossible possible », dit Lu. "Ensuite, vous travaillez pour le rendre plus parfait."

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