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Un saut de mémoire quantique
Ces dernières années, les physiciens ont imaginé de nombreuses façons d'utiliser les bizarreries de la mécanique quantique pour transmettre et traiter l'information.
Maintenant, une équipe de chercheurs a annoncé une étape importante vers l'utilisation de cette information quantique : le transfert fantomatique de l'état quantique d'un seul ion à un autre à un mètre de distance. Étant donné que les ions peuvent stocker un état quantique pendant plusieurs secondes, ce schéma de téléportation quantique pourrait permettre de gagner suffisamment de temps pour des manipulations permettant des communications longue distance immunisées contre les écoutes, ou pour des calculs qui exploitent la mécanique quantique pour effectuer des calculs extrêmement rapides.
Pour transférer un peu d'informations quantiques d'un système de taille atomique à un autre, les deux systèmes doivent commencer dans la condition quantique appelée intrication. Les systèmes intriqués donnent toujours des réponses correspondantes, comme deux pièces qui, bien qu'imprévisibles individuellement, arrivent toujours une face et une face. Les physiciens ont téléporté l'état entre des photons de lumière intriqués, mais malheureusement, ils ne peuvent pas stocker les informations quantiques très longtemps. Récemment, d'autres chercheurs ont téléporté l'état quantique à longue durée de vie d'ions individuels, mais uniquement lorsqu'ils étaient piégés très près les uns des autres.
Pour transférer des informations quantiques persistantes sur de plus longues distances, Chris Monroe et son groupe de l'Université du Maryland ont fait équipe avec Luming Duan de l'Université du Michigan pour piéger et refroidir deux ions ytterbium individuels. L'équipe a codé les informations quantiques en mélangeant deux états qui ne diffèrent que par le moment angulaire du noyau. Contrairement à la valeur 0 ou 1 d'un bit en informatique ordinaire, les chercheurs peuvent créer un mélange arbitraire des deux états nucléaires, appelé qubit, en soumettant les ions à des micro-ondes. Une fois formé, un ion retient ce mélange pendant plusieurs secondes, assez longtemps pour effectuer des calculs qui agissent sur les deux valeurs simultanément.
En étendant une technique que l'équipe de Monroe a démontrée en 2007, les chercheurs ont exposé les deux ions à une impulsion lumineuse ultracourte, les faisant passer chacun à un état d'énergie plus élevée. Chaque ion est ensuite revenu à son état d'origine en émettant un photon. Mesurer la couleur de ce photon aurait laissé l'ion dans l'un des deux états nucléaires. Mais au lieu de cela, les chercheurs ont simplement testé si les deux photons étaient de couleurs différentes. Puisqu'ils n'ont pas déterminé quelle couleur provenait de quel ion, voir ce résultat a laissé les ions dans un état intriqué qui incluait les deux possibilités.
Téléportez-moi : Chacune des deux chambres cylindriques (gauche et droite) contient un seul atome. Les tubes noirs au premier plan sont utilisés pour imager chaque atome. Les fibres optiques qui canalisent les photons uniques de chaque atome sont en face des tubes, sur le côté gauche de l'image, recouverts de papier noir. Les photons interfèrent à l'intérieur de la grande boîte rectangulaire noire à gauche.
Pour effectuer la téléportation, les chercheurs ont préparé l'ion de gauche dans un état quantique arbitraire, puis ont zappé à plusieurs reprises les ions avec des impulsions laser jusqu'à ce qu'ils voient les paires de photons de couleur opposée qui annonçaient l'état intriqué. Ils ont rapidement mesuré dans quel état nucléaire se trouvait l'ion de gauche, détruisant ainsi son mélange quantique. Mais l'intrication fait apparaître un mélange étroitement apparenté dans l'ion de droite. Les chercheurs ont transformé cela en une version téléportée de l'état d'origine en le manipulant de deux manières, selon l'état qu'ils ont mesuré pour l'ion de gauche.
C'est la première réalisation de la téléportation quantique entre deux atomes distants, observe Myungshik Kim de l'Université Queen's de Belfast, en Irlande du Nord, qui n'a pas participé aux travaux. C'est une technique assez ingénieuse.
Un problème est qu'il faut près de 100 millions d'impulsions laser – environ 10 minutes – pour obtenir une seule paire enchevêtrée. Pour être utile pour d'autres expériences, ce nombre doit être amélioré d'environ 1 000 fois, principalement en collectant davantage de photons émis. Le schéma de téléportation entre des ions distants pourrait activer des répéteurs quantiques permettant la transmission à longue distance d'informations quantiques, note Monroe. De plus, il dit qu'il est bien adapté à une approche de plus en plus étudiée du calcul quantique qui commence par un grand nombre de qubits intriqués.