Téléportation Quantique

Téléportation Quantique Nicolas Gisin Groupe de Physique Appliquée Université de Genève 1

Téléportation = transfert d un endroit à un autre sans passage par aucun lieu intermédiaire. 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. 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

La science fiction Emetteur o Récepteur 4

La Téléportation Quantique Alice Emetteur o Bob Récepteur 5

Téléportation = transfert d un endroit à un autre sans passage par aucun lieu intermédiaire. Bob Récepteur Mais ça passe par où? Alice Emetteur aucune matière pas d onde pas de flux d énergie quasi pas d information téléportation transport o 9

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

L intrication? Qu est-ce que c est que c est que ça?!?!? 11

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

Événement Corrélation Cause aléatoire commune à distance non local 13

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

Corrélation à distance V R V R Alice 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. Bob 15

Inégalité de Bell: (D. Mermin, Am. J. Phys. 49, 940-943, 1981) Bob Alice 1 identiques différents 2 identiques différents 3 identiques différents 1 100 % 0 % 2 100 % 0 % 3 100 % 0 % Hypothèse: Ces corrélations sont dues à une cause commune. Les particules sont comme des nano-ordinateurs portant le même programme. Alic e Exemple de programme VVR : position 1 lumière V position 2 lumière V position 3 lumière R v R v R Bob 16

Inégalité de Bell: (D. Mermin, Am. J. Phys. 49, 940-943, 1981) Bob Alice 1 identiques différents 1 100 % 0 % 2 identiques différents 3 identiques différents 1/4 3/4 1/4 3/4 2 1/4 3/4 100 % 0 % 1/4 3/4 3 1/4 3/4 1/4 3/4 100 % 0 % 1 2 3 Si boutons Prob(résultats =) V V V 100 % V V R 1/3 v R V R V 1/3 V R R 1/3 R V V 1/3 R V R 1/3 Alic R R V 1/3 R R R 100 % e Mélange qcq 1/3 Inégalité de Bell Physique quantique 1/4 Conséquence de l hyp. cause commune L explication par cause commune est en contradiction avec les prédictions de la physique quantique v R Bob 17

2-υ source of Aspect s 1982 experiment 18

Violation de l inégalité de Bell sur 10 km 1997 19

Le Labo laser L explication par causes communes est en contradiction avec les résultats expérimentaux. P F L KNbO 3 4.5 km R++ R-+ R+- R-- Donc, la Nature n est pas entièrement locale. On parle de non-localité quantique. 7.3 km quantum channel & 8.1 km 9.3 km quantum channel Z APD - 1 APD 2 - Z δ 2 δ 1 FM APD 1 + APD 2 + FS FM FS 20 10.9 km

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

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 Photon = particule inséquable (atome) de lumière Photon polarisé Photon dépolarisé ( poussière) 23

Quai E.Ansermet Plainpalais Alic e 2 km de fibre optique Paire de photons intriqués 2 km de fibre optique Bob 24

Alic e 2 km de fibre optique Quai E.Ansermet Plainpalais Bob 25

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

Quai E.Ansermet Plainpalais Alic e Mesure de Bell les 2 photons interagissent 4 résultats possibles: 0, 90, 180, 270 degrés Corrélation parfaite Bob La corrélation est indépendante de l état du photon téléporté 27

Téléportation résultats: Probabilité de succès = 93% ± 4% 40 35 Coincidences/21400s 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? 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 téléportation mesure de Bell A B C D source de paires de photons intriqués source de paires de photons intriqués 31

Vers un internet quantique Il nous manque encore la capacité de stocker l intrication: développer des mémoires quantiques est un gand défi! 32

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

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 Virus Object usuel Probablement un jour...?? Impossible?? Encore du domaine de la science-fiction 36

Conclusions 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

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