Téléportation Quantique GAP Optique Geneva University Nicolas Gisin Groupe de Physique Appliquée Université de Genève 1 Téléportation = transfert d’un endroit à un autre sans passage par aucun lieu intermédiaire. GAP Optique Geneva University … de la science-fiction au laboratoire de physique … haut bas 2 Téléportation = transfert d’un endroit à un autre sans passage par aucun lieu intermédiaire. GAP Optique Geneva University … 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? 3 Récepteur La science fiction GAP Optique Geneva University Emetteur o 4 Bob Récepteur La “Téléportation Quantique” GAP Optique Geneva University Alice Emetteur o 5 Bob Récepteur La “Téléportation Quantique” GAP Optique Geneva University Alice Emetteur o 6 Bob Récepteur La “Téléportation Quantique” GAP Optique Geneva University Alice Emetteur o 7 Bob Récepteur La “Téléportation Quantique” GAP Optique Geneva University Alice Emetteur o 8 Téléportation = transfert d’un endroit à un autre sans passage par aucun lieu intermédiaire. Bob Récepteur Mais ça passe par où ? • aucune matière GAP Optique Geneva University Emetteur Alice • pas d’onde • pas de flux d’énergie • quasi pas d’information téléportation ≠ transport o 9 Bob Récepteur Mais ça passe par où ? GAP Optique Geneva University Emetteur Alice Le canal de téléportation consiste en particules intriquées Intrication: o un mot nouveau pour un concept nouveau ! 10 GAP Optique Geneva University L’intrication ? Qu’est-ce que c’est que c’est que ça ?!?!? 11 GAP Optique Geneva University 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. 12 GAP Optique Geneva University Événement Cause aléatoire commune non local Corrélation à distance 13 Comment distinguer scientifiquement entre ces deux types de corrélations ??? 2. Hasard global ?? GAP Optique Geneva University 1. Cause commune ?? 14 Corrélation à distance GAP Optique Geneva University V R Alice V R Bob Observations: 1. 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. 2. Si – par chance – Alice et Bob ont choisit la même position pour leurs boutons, ils observent toujours la même couleur. 15 Inégalité de Bell: GAP Optique Geneva University Bob 1 Alice identiques différents 1 2 3 100 % (D. Mermin, Am. J. Phys. 49, 940-943, 1981) 2 identiques différents 3 identiques différents 0% 100 % Hypothèse: Ces corrélations sont dues à une cause commune. Les particules sont comme des nano-ordinateurs portant le même programme. 0% 100 % v R Alic e 0% v R Bob Exemple de programme “VVR” : position 1 ⇒ lumière V position 2 ⇒ lumière V position 3 ⇒ lumière R 16 Inégalité de Bell: Bob 1 Alice identiques différents 1 2 GAP Optique Geneva University 3 (D. Mermin, Am. J. Phys. 49, 940-943, 1981) 2 identiques différents 3 identiques différents 1/4 0% 1/4 1/4 3/4 3/4 3/4 100 % 0% 0% 1/4 1/4 3/4 100 % 3/4 1/4 1 2 3 Si boutons ≠ Prob(résultats =) VVV VVR VRV VRR RVV RVR RRV RRR Mélange qcq 100 % 1/3 1/3 1/3 1/3 1/3 1/3 100 % ≥ 1/3 Physique quantique 3/4 100 % 1/4 v R Alic e v R Bob Conséquence de l’hyp. Inégalité de Bell cause commune L’explication par cause commune est en contradiction avec les prédictions de la physique quantique 17 GAP Optique Geneva University 2-υ source of Aspect’s 1982 experiment 18 Violation de l‘inégalité de Bell sur 10 km GAP Optique Geneva University 1997 19 Le Labo la s er KNbO P L’explication par causes communes est en contradiction avec les résultats expérimentaux. F L ch an ne l 4.5 km k 7.3 a qu R++ R-+ R+- R-- km um 8. 1 ne an ch km qu an t m m ntu 9 .3 & l Z 1 APD - APD 2- Z FM δ1 10.9 km FM 1 2 APD + APD + FS FS δ 2 GAP Optique Geneva University 3 Donc, la Nature n’est pas entièrement locale. On parle de non-localité quantique. 20 GAP Optique Geneva University 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. »21 GAP Optique Geneva University 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. 22 L’expérience de Genève: Téléportation Quantique GAP Optique Geneva University Photon = particule inséquable (atome) de lumière Photon polarisé Photon dépolarisé (≈ ≈ poussière) 23 GAP Optique Geneva University Quai E.Ansermet Plainpalais Bob Alic e 2 km de fibre optique 2 km de fibre optique Paire de photons intriqués 24 GAP Optique Geneva University Quai E.Ansermet Plainpalais Bob Alic e 2 km de fibre optique 25 GAP Optique Geneva University Quai E.Ansermet Plainpalais Alic e de Bell Mesure Bob Etes-vous similaires ? les 2 photons interagissent 4 résultats possibles: 0, 90, 180, 270 degrés 26 GAP Optique Geneva University Quai E.Ansermet Plainpalais Bob Alic e de Bell Mesure les 2 photons interagissent 4 résultats possibles: 0, 90, 180, 270 degrés Co on i t a l rré e t i a f par La corrélation est indépendante de l’état du photon téléporté 27 28 GAP Optique Geneva University Téléportation résultats: Probabilité de succès = 93% ± 4% 40 Coincidences/21400s GAP Optique Geneva University 35 30 25 20 15 10 5 0 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 Phase (degrees) L’information nécessaire pour terminer la téléportation est infiniment moindre que celle nécessaire pour décrire la structure téléportée. Qu’est-ce qui est téléporté ? GAP Optique Geneva University 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. 30 Téléportation d’intrication Photons intriqués bien qu’il ne se soient jamais rencontrés GAP Optique Geneva University téléportation mesure de Bell A B source de paires de photons intriqués C D source de paires de photons intriqués 31 GAP Optique Geneva University Vers un internet quantique Il nous manque encore la capacité de stocker l’intrication: développer des mémoires quantiques est un gand défi ! 32 GAP Optique Geneva University 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) 33 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. GAP Optique Geneva University 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 34 Contrôle continue GAP Optique Geneva University 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. 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 L’homme qui tire 2x plus vite que la lumière 35 GAP Optique Geneva University 2. Qu’est-ce qui peut porter 2. Qu’est-ce qui peut être téléporté ? la structure téléportée ? Photon C’est fait Atome C’est fait …depuis qcq mois Molécule Probablement un jour ... Virus ?? Impossible ?? Object usuel Encore du domaine de la science-fiction 36 Conclusions GAP Optique Geneva University • 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 ! 37 à la Physique Quantique Une bonne lecture: Initiation par Valerio Scarani. Industrie Genève GAP Optique Geneva University Post-doc Singapour Chercheur CNRS-Nice Edition Vuibert, 2003 par exemple) Secrétaire (sur Amazon, scientifique Genève Finance Londres Prof. Barcelone Post-doc Vienne Prof. Calgary Canada Industrie Zürich CEO id Quantique Genève Prof. Singapour Post-doc Californie 2003 38
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