Téléportation Quantique Nicolas Gisin Groupe de Physique Appliquée Université de Genève

… de la science-fiction au laboratoire de physique … Téléportation = transfert d’un endroit à un autre sans passage par aucun lieu intermédiaire. … de la science-fiction au laboratoire de physique … haut bas

… de la science-fiction au laboratoire de physique … Téléportation = transfert d’un endroit à un autre sans passage par aucun lieu intermédiaire. … de la science-fiction au laboratoire de physique … Téléportation science-fiction Téléportation « presque quantique » Le canal de téléportation quantique: l’intrication et non-localité quantique L’expérience de Genève: Téléportation Quantique A quoi ça sert?

Récepteur La science fiction Emetteur o

Bob Récepteur La “Téléportation Quantique” Alice Emetteur o

Bob Récepteur La “Téléportation Quantique” Alice Emetteur o

Bob Récepteur La “Téléportation Quantique” Alice Emetteur o

Bob Récepteur La “Téléportation Quantique” Alice Emetteur o

Bob Alice Mais ça passe par où ? téléportation  transport Téléportation = transfert d’un endroit à un autre sans passage par aucun lieu intermédiaire. Bob Récepteur Mais ça passe par où ? aucune matière pas d’onde pas de flux d’énergie quasi pas d’information Alice Emetteur téléportation  transport o

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

L’intrication ? Qu’est-ce que c’est que c’est que ça ?!?!?

( Corrélation: Deux événements sont corrélés si ils survienent souvent en même temps ou l’un juste après l’autre. Science: Observation de corrélations et développement d’un modèle expliquant ces corrélations.

Événement aléatoire non local Cause commune Corrélation à distance

Comment distinguer scientifiquement entre ces deux types de corrélations ??? 1. Cause commune ?? 2. Hasard global ??

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

Inégalité de Bell: (D. Mermin, Am. J. Phys. 49, 940-943, 1981) Bob Alice 1 identiques différents 2 3 100 % 0 % Hypothèse: Ces corrélations sont dues à une cause commune. Les particules sont comme des nano-ordinateurs portant le même programme. Alice Bob v R Exemple de programme “VVR” : position 1  lumière V position 2  lumière V position 3  lumière R

Inégalité de Bell: (D. Mermin, Am. J. Phys. 49, 940-943, 1981) Bob Alice 1 identiques différents 2 3 100 % 0 % 1/4 3/4 Si boutons ¹ Prob( résultats =) 100 % 1/3 1 2 3 V V V Alice Bob v R V V R V R V V R R R V V R V R R R V Conséquence de l’hyp. cause commune R R R Mélange qcq ³ 1/3 Inégalité de Bell Physique quantique 1/4 L’explication par cause commune est en contradiction avec les prédictions de la physique quantique

2- source of Aspect’s 1982 experiment

Violation de l‘inégalité de Bell sur 10 km 1997

L’explication par causes communes est en Le Labo d 1 KNbO 3 9.3 km 8.1 km quantum channel F laser L P R++ R-+ R+- R-- 2 APD - + & FS Z FM 7.3 km 4.5 km 10.9 km L’explication par causes communes est en contradiction avec les résultats expérimentaux. Donc, la Nature n’est pas entièrement locale. On parle de non-localité quantique.

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 n’aimait pas du tout cette non-localité, pourtant la physique a vécu avec jusqu’en 1915 (relativité générale d’Einstein). Newton: « Qu’un corps puisse agir sur un autre à distance, à travers un espace vide est pour moi une si grande absurdité qu’à mon avis aucun homme ayant une faculté de réfléchir avec compétence aux problèmes philosophiques ne peut y tomber. »

) 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.

L’expérience de Genève: Téléportation Quantique Photon = particule inséquable (atome) de lumière Photon polarisé Photon dépolarisé ( poussière)

Alice Bob Quai E.Ansermet Plainpalais 2 km de fibre optique Paire de photons intriqués

Quai E.Ansermet Plainpalais Alice Bob 2 km de fibre optique

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

Alice Bob Mesure de Bell les 2 photons interagissent Quai E.Ansermet Plainpalais Alice Bob Mesure de Bell les 2 photons interagissent 4 résultats possibles: 0, 90, 180, 270 degrés Corrélation parfaite La corrélation est indépendante de l’état du photon téléporté

Téléportation résultats: Probabilité de succès = 93% ± 4% L’information nécessaire pour terminer la téléportation est infiniment moindre que celle nécessaire pour décrire la structure téléportée.

Qu’est-ce qui est téléporté ? Selon Aristote, les objets sont constitués de substance et de forme, ie de particules élémentaires et d’états quantiques. La matière et l’énergie ne peuvent pas être téléportées: elles ne peuvent pas être transférées d’un 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 d’un 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.

Téléportation d’intrication Photons intriqués bien qu’il ne se soient jamais rencontrés téléportation mesure de Bell source de paires de photons intriqués source de paires de photons intriqués

Vers un internet quantique Il nous manque encore la capacité de stocker l’intrication: développer des mémoires quantiques est un gand défi !

A quoi ça sert ? A la fascination du physicien (2ème mission de l’Université) A la formation des étudiants (1ère mission de l’Université) technologie du futur, attrayante technologie des télécoms d’aujourd’hui simplicité mathématique Aux communications sécurisées de demain (3ème mission de l’Université)

Application: cryptographie quantique Idée: Inscrivons un message dans la structure d’un système quantique et téléportons-le. Comme la structure disparaît “ici” pour réapparaître “là”, aucun espion ne peut intercepter le message. Leçon de Physique Appliquée (simplifier un max tout en gardant l’essence): Il suffit de téléporter une clé de codage, donc de “téléporter du bruit”. On peut mettre la source d’intrication chez Alice. www.idquantique.com

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

2. Qu’est-ce qui peut être téléporté ? 2. Qu’est-ce qui peut porter la structure téléportée ? 2. Qu’est-ce qui peut être téléporté ? Photon C’est fait C’est fait …depuis qcq mois Atome Probablement un jour ... Molécule Virus ?? Impossible ?? Encore du domaine de la science-fiction Object usuel

Conclusions ne pouvait l’imaginer ! La Nature est encore plus merveilleuse qu’on ne pouvait l’imaginer ! La physique n’a pas fini de nous surprendre: pour la 1ère fois de son histoire elle est confrontée à des phénomènes qui n’ont pas – et n’auront jamais – d’explications locales ! Nos notions d’espace, de temps et d’information sont mises à rude épreuve !

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