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GAP Optique Geneva University 1 Téléportation Quantique Nicolas Gisin Groupe de Physique Appliquée Université de Genève.

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1 GAP Optique Geneva University 1 Téléportation Quantique Nicolas Gisin Groupe de Physique Appliquée Université de Genève

2 GAP Optique Geneva University 2 … de la science-fiction au laboratoire de physique … Téléportation = transfert dun endroit à un autre sans passage par aucun lieu intermédiaire. haut bas

3 GAP Optique Geneva University 3 … de la science-fiction au laboratoire de physique … Téléportation science-fiction Téléportation « presque quantique » Le canal de téléportation quantique: lintrication et non-localité quantique Lexpérience de Genève: Téléportation Quantique A quoi ça sert? Téléportation = transfert dun endroit à un autre sans passage par aucun lieu intermédiaire.

4 GAP Optique Geneva University 4 Emetteur Récepteur o La science fiction

5 GAP Optique Geneva University 5 Emetteur Récepteur o La Téléportation Quantique Alice Bob

6 GAP Optique Geneva University 6 Emetteur Récepteur o Alice Bob La Téléportation Quantique

7 GAP Optique Geneva University 7 Emetteur Récepteur o Alice Bob La Téléportation Quantique

8 GAP Optique Geneva University 8 Emetteur Récepteur o Alice Bob La Téléportation Quantique

9 GAP Optique Geneva University 9 Emetteur Récepteur o Mais ça passe par où ? téléportation transport aucune matière pas donde pas de flux dénergie quasi pas dinformation Téléportation = transfert dun endroit à un autre sans passage par aucun lieu intermédiaire. Alice Bob

10 GAP Optique Geneva University 10 Emetteur Récepteur o Le canal de téléportation consiste en particules intriquées Alice Bob Mais ça passe par où ? Intrication: un mot nouveau pour un concept nouveau !

11 GAP Optique Geneva University 11 Lintrication ? Quest-ce que cest que cest que ça ?!?!?

12 GAP Optique Geneva University 12 ( Corrélation: Deux événements sont corrélés si ils survienent souvent en même temps ou lun juste après lautre. Science: Observation de corrélations et développement dun modèle expliquant ces corrélations.

13 GAP Optique Geneva University 13 Corrélation à distance Cause communeÉvénement aléatoire non local

14 GAP Optique Geneva University 14 Comment distinguer scientifiquement entre ces deux types de corrélations ??? 1. Cause commune ??2. Hasard global ??

15 GAP Optique Geneva University 15 Corrélation à distance Observations: 1.Quelque soit la position de leur bouton, les lumières vertes et rouges chez Alice et chez Bob sallument au hasard, moitié du temps rouge, moitié verte. 2.Si – par chance – Alice et Bob ont choisit la même position pour leurs boutons, ils observent toujours la même couleur. V R V R Alice Bob

16 GAP Optique Geneva University 16 Inégalité de Bell: (D. Mermin, Am. J. Phys. 49, , 1981) Hypothèse: Ces corrélations sont dues à une cause commune. Les particules sont comme des nano-ordinateurs portant le même programme. Exemple de programme VVR : position 1 lumière V position 2 lumière V position 3 lumière R AliceBob v v RR

17 GAP Optique Geneva University V V V Siboutons Prob(résultats =) 100 % 1/3 100 % Mélangeqcq 1/3 Inégalité deBell 1/4 3/4 Inégalité de Bell: (D. Mermin, Am. J. Phys. 49, , 1981) V V R V R V V R R R V V R V R R R V R R R Lexplication par cause commune est en contradiction avec les prédictions de la physique quantique Physique quantique 1/4 Conséquence de lhyp. cause commune AliceBob v v RR

18 GAP Optique Geneva University source of Aspects 1982 experiment

19 GAP Optique Geneva University 19 Violation de linégalité de Bell sur 10 km 1997

20 GAP Optique Geneva University 20 Le Labo Lexplication par causes communes est en contradiction avec les résultats expérimentaux. Donc, la Nature nest pas entièrement locale. On parle de non-localité quantique.

21 GAP Optique Geneva University 21 La non-localité chez Newton Selon la théorie de la gravitation de Newton, si on déplace une pierre sur la lune, notre poids sur terre est immédiatement modifié. Newton était très conscient de la non-localité de sa théorie de la gravitation universelle. Newton naimait pas du tout cette non-localité, pourtant la physique a vécu avec jusquen 1915 (relativité générale dEinstein). Newton: « Quun corps puisse agir sur un autre à distance, à travers un espace vide est pour moi une si grande absurdité quà mon avis aucun homme ayant une faculté de réfléchir avec compétence aux problèmes philosophiques ne peut y tomber. »

22 GAP Optique Geneva University 22 ) Différence entre non-localité quantique et non-localité chez Newton: La non-localité chez Newton permettrait de communiquer instantanément à distance. La non-localité quantique ne permet pas de communiquer. En effet, le message consisterait en bits aléatoires ! Une non-localité sans hasard violerait la relativité. La non-localité quantique avec hasard co-existe pacifiquement avec la relativité.

23 GAP Optique Geneva University 23 Lexpérience de Genève: Téléportation Quantique Photon = particule inséquable (atome) de lumière Photon polarisé Photon dépolarisé ( poussière)

24 GAP Optique Geneva University 24 Quai E.Ansermet Plainpalais 2 km de fibre optique 2 km de fibre optique Paire de photons intriqués Alice Bob

25 GAP Optique Geneva University 25 2 km de fibre optique Quai E.Ansermet Plainpalais Alice Bob

26 GAP Optique Geneva University 26 Mesure de Bell les 2 photons interagissent Etes-vous similaires ? Quai E.Ansermet Plainpalais 4 résultats possibles: 0, 90, 180, 270 degrés Alice Bob

27 GAP Optique Geneva University 27 Mesure de Bell les 2 photons interagissent 4 résultats possibles: 0, 90, 180, 270 degrés Corrélation parfaite La corrélation est indépendante de létat du photon téléporté Quai E.Ansermet Plainpalais Alice Bob

28 GAP Optique Geneva University 28

29 GAP Optique Geneva University Téléportation résultats: Probabilité de succès = 93% ± 4% Linformation nécessaire pour terminer la téléportation est infiniment moindre que celle nécessaire pour décrire la structure téléportée.

30 GAP Optique Geneva University 30 Quest-ce qui est téléporté ? Selon Aristote, les objets sont constitués de substance et de forme, ie de particules élémentaires et détats quantiques. La matière et lénergie ne peuvent pas être téléportées: elles ne peuvent pas être transférées dun endroit à un autre sans passer par des lieux intermédiaires. Toutefois, les états quantiques, i.e. la structure ultime des objets, peuvent être téléportés. Donc, un objet peut être transféré dun endroit à un autre sans jamais exister en aucun lieu intermédiaire! Mais seule la structure est téléportée, la matière reste à la source et doit déjà être présente au récepteur.

31 GAP Optique Geneva University 31 Téléportation dintrication mesure de Bell Photons intriqués bien quil ne se soient jamais rencontrés source de paires de photons intriqués source de paires de photons intriqués téléportation

32 GAP Optique Geneva University 32 Vers un internet quantique Il nous manque encore la capacité de stocker lintrication: développer des mémoires quantiques est un gand défi !

33 GAP Optique Geneva University 33 A quoi ça sert ? A la fascination du physicien (2 ème mission de lUniversité) A la formation des étudiants (1 ère mission de lUniversité) technologie du futur, attrayante technologie des télécoms daujourdhui simplicité mathématique Aux communications sécurisées de demain (3 ème mission de lUniversité)

34 GAP Optique Geneva University 34 Application: cryptographie quantique Inscrivons un message dans la structure dun système quantique et téléportons-le. Comme la structure disparaît ici pour réapparaître là, aucun espion ne peut intercepter le message. Idée: Leçon de Physique Appliquée (simplifier un max tout en gardant lessence): Il suffit de téléporter une clé de codage, donc de téléporter du bruit. On peut mettre la source dintrication chez Alice.

35 GAP Optique Geneva University 35 Lhomme qui tire 2x plus vite que la lumière FAUX ! Pour terminer le processus de téléportation il faut quAlice envoie à Bob le résulat de sa mesure de Bell. Cela représente très peu dinformation, mais cela limite la téléportation à la vitesse de la lumière. Pas tout faux … le phénomène aléatoire déclenché lors de la mesure de Bell par Alice se manifeste instantanément chez Bob. Contrôle continue 1. Vrai / Faux ???

36 GAP Optique Geneva University Quest-ce qui peut être téléporté ? Photon Atome Molécule Virus Object usuel Cest fait Cest fait …depuis qcq mois Probablement un jour... ?? Impossible ?? Encore du domaine de la science-fiction 2. Quest-ce qui peut porter la structure téléportée ?

37 GAP Optique Geneva University 37 Conclusions La Nature est encore plus merveilleuse quon ne pouvait limaginer ! La physique na pas fini de nous surprendre: pour la 1ère fois de son histoire elle est confrontée à des phénomènes qui nont pas – et nauront jamais – dexplications locales ! Nos notions despace, de temps et dinformation sont mises à rude épreuve !

38 GAP Optique Geneva University 38 Initiation à la Physique Quantique par Valerio Scarani. Edition Vuibert, 2003 (sur Amazon, par exemple) Une bonne lecture: 2003 Prof. Singapour Prof. Calgary Canada Post-doc Vienne Prof. Barcelone Finance Londres Post-doc Californie CEO id Quantique Genève Industrie Zürich Chercheur CNRS-Nice Post-doc Singapour Industrie Genève Secrétaire scientifique Genève


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