La téléportation quantique est l'un des protocoles les plus importants de l'information quantique. Basé sur la ressource physique de l'intrication, il sert d'élément principal de diverses tâches d'information et est un composant important des technologies quantiques, jouant un rôle clé dans le développement futur de l'informatique quantique, des réseaux et de la communication.
De la science-fiction à la découverte des scientifiques
Plus de deux décennies se sont écoulées depuis la découverte de la téléportation quantique, qui est peut-être l'une des conséquences les plus intéressantes et les plus excitantes de "l'étrangeté" de la mécanique quantique. Avant ces grandes découvertes, cette idée appartenait au domaine de la science-fiction. Inventé pour la première fois en 1931 par Charles H. Fort, le terme "téléportation" a depuis été utilisé pour désigner le processus par lequel des corps et des objets sont transférés d'un endroit à un autre sans réellement parcourir la distance qui les sépare.
En 1993, un article a été publié décrivant le protocole d'information quantique, appelé"téléportation quantique", qui partageait plusieurs des fonctionnalités énumérées ci-dessus. Dans celui-ci, l'état inconnu d'un système physique est mesuré puis reproduit ou "réassemblé" à un emplacement distant (les éléments physiques du système d'origine restent sur le site de transmission). Ce processus nécessite des moyens de communication classiques et exclut la communication FTL. Il a besoin d'une ressource d'enchevêtrement. En fait, la téléportation peut être considérée comme un protocole d'information quantique qui démontre le plus clairement la nature de l'intrication: sans sa présence, un tel état de transmission ne serait pas possible dans le cadre des lois qui décrivent la mécanique quantique.
La téléportation joue un rôle actif dans le développement des sciences de l'information. D'une part, c'est un protocole conceptuel qui joue un rôle décisif dans le développement de la théorie formelle de l'information quantique, et d'autre part, c'est un composant fondamental de nombreuses technologies. Le répéteur quantique est un élément clé de la communication sur de longues distances. La téléportation par commutateur quantique, l'informatique dimensionnelle et les réseaux quantiques en sont tous des dérivés. Il est également utilisé comme un outil simple pour étudier la physique "extrême" concernant les courbes temporelles et l'évaporation des trous noirs.
Aujourd'hui, la téléportation quantique a été confirmée dans des laboratoires du monde entier utilisant de nombreux substrats et technologies différents, y compris les qubits photoniques, la résonance magnétique nucléaire, les modes optiques, les groupes d'atomes, les atomes piégés etsystèmes semi-conducteurs. Des résultats remarquables ont été obtenus dans le domaine de la portée de téléportation, des expériences avec des satellites sont à venir. En outre, des tentatives ont commencé à évoluer vers des systèmes plus complexes.
Téléportation de qubits
La téléportation quantique a été décrite pour la première fois pour les systèmes à deux niveaux, appelés qubits. Le protocole considère deux parties distantes, appelées Alice et Bob, qui partagent 2 qubits, A et B, dans un état intriqué pur, également appelé une paire de Bell. En entrée, Alice reçoit un autre qubit a, dont l'état ρ est inconnu. Elle effectue ensuite une mesure quantique conjointe appelée détection de Bell. Il faut a et A à l'un des quatre états de Bell. En conséquence, l'état du qubit d'entrée d'Alice disparaît pendant la mesure, et le qubit B de Bob est simultanément projeté sur Р†kρP k. A la dernière étape du protocole, Alice envoie le résultat classique de sa mesure à Bob, qui utilise l'opérateur de Pauli Pk pour restituer le ρ d'origine.
L'état initial du qubit d'Alice est considéré comme inconnu, car sinon le protocole est réduit à sa mesure à distance. Alternativement, il peut lui-même faire partie d'un système composite plus large partagé avec un tiers (auquel cas, une téléportation réussie nécessite de reproduire toutes les corrélations avec ce tiers).
Une expérience typique de téléportation quantique suppose que l'état initial est pur et appartient à un alphabet limité,par exemple, les six pôles de la sphère de Bloch. En présence de décohérence, la qualité de l'état reconstruit peut être quantifiée par la précision de téléportation F ∈ [0, 1]. Il s'agit de la précision entre les états d'Alice et de Bob, moyenne sur tous les résultats de détection de Bell et l'alphabet d'origine. À des valeurs de précision faibles, il existe des méthodes qui permettent une téléportation imparfaite sans utiliser une ressource obscurcie. Par exemple, Alice peut mesurer directement son état initial en envoyant les résultats à Bob pour préparer l'état résultant. Cette stratégie de préparation des mesures est appelée "téléportation classique". Il a une précision maximale de Fclass=2/3 pour un état d'entrée arbitraire, ce qui équivaut à un alphabet d'états mutuellement non biaisés, comme les six pôles d'une sphère de Bloch.
Ainsi, une indication claire de l'utilisation des ressources quantiques est la valeur de précision F> Fclass.
Pas un seul qubit
Selon la physique quantique, la téléportation ne se limite pas aux qubits, elle peut inclure des systèmes multidimensionnels. Pour chaque dimension finie d, on peut formuler un schéma de téléportation idéal en utilisant une base de vecteurs d'états intriqués au maximum, qui peuvent être obtenus à partir d'un état intriqué au maximum donné et d'une base {Uk} de opérateurs unitaires vérifiant tr(U †j Uk)=dδj, k . Un tel protocole peut être construit pour tout Hilbert de dimension finieespaces de la soi-disant. systèmes à variables discrètes.
De plus, la téléportation quantique peut également être étendue aux systèmes avec un espace de Hilbert de dimension infinie, appelés systèmes à variable continue. En règle générale, ils sont réalisés par des modes bosoniques optiques, dont le champ électrique peut être décrit par des opérateurs de quadrature.
Principe de vitesse et d'incertitude
Quelle est la vitesse de téléportation quantique ? Les informations sont transmises à une vitesse similaire à celle de la même quantité de transmission classique - peut-être à la vitesse de la lumière. Théoriquement, il peut être utilisé d'une manière que le classique ne peut pas - par exemple, dans l'informatique quantique, où les données ne sont disponibles que pour le destinataire.
La téléportation quantique viole-t-elle le principe d'incertitude ? Dans le passé, l'idée de téléportation n'était pas prise très au sérieux par les scientifiques car on pensait qu'elle violait le principe selon lequel tout processus de mesure ou de numérisation n'extraireait pas toutes les informations d'un atome ou d'un autre objet. Selon le principe d'incertitude, plus un objet est balayé avec précision, plus il est affecté par le processus de balayage, jusqu'à ce qu'un point soit atteint où l'état d'origine de l'objet est violé à un point tel qu'il n'est plus possible d'obtenir suffisamment d'informations pour créer une copie exacte. Cela semble convaincant: si une personne ne peut pas extraire d'informations d'un objet pour créer une copie parfaite, alors la dernière ne peut pas être réalisée.
Téléportation quantique pour les nuls
Mais six scientifiques (Charles Bennett, Gilles Brassard, Claude Crepeau, Richard Josa, Asher Perez et William Wuthers) ont trouvé un moyen de contourner cette logique en utilisant la caractéristique célèbre et paradoxale de la mécanique quantique connue sous le nom d'Einstein-Podolsky- Effet Rosen. Ils ont trouvé un moyen de scanner une partie des informations de l'objet téléporté A, et de transférer le reste de la partie non vérifiée par l'effet mentionné à un autre objet C, qui n'a jamais été en contact avec A.
De plus, en appliquant à C une influence qui dépend des informations scannées, vous pouvez mettre C dans l'état A avant de scanner. A lui-même n'est plus dans le même état, car il a été complètement modifié par le processus de numérisation, donc ce qui a été réalisé est la téléportation, pas la réplication.
Lutte pour la portée
- La première téléportation quantique a été réalisée en 1997 presque simultanément par des scientifiques de l'Université d'Innsbruck et de l'Université de Rome. Au cours de l'expérience, le photon d'origine, qui a une polarisation, et l'un de la paire de photons intriqués, ont été modifiés de telle sorte que le deuxième photon a reçu la polarisation de l'original. Dans ce cas, les deux photons étaient à distance l'un de l'autre.
- En 2012, une autre téléportation quantique a eu lieu (Chine, Université des sciences et technologies) à travers un lac de haute montagne à une distance de 97 km. Une équipe de scientifiques de Shanghai, dirigée par Huang Yin, a réussi à développer un mécanisme de ralliement qui a permis de viser avec précision le faisceau.
- En septembre de la même année, une téléportation quantique record de 143 km a été réalisée. Scientifiques autrichiens de l'Académie autrichienne des sciences et de l'UniversitéVienne, dirigée par Anton Zeilinger, a réussi à transférer des états quantiques entre les deux îles Canaries de La Palma et de Tenerife. L'expérience a utilisé deux lignes de communication optiques dans un espace ouvert, quantique et classique, une paire intriquée de photons sources à polarisation non corrélée en fréquence, des détecteurs à photon unique à très faible bruit et une synchronisation d'horloge couplée.
- En 2015, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology des États-Unis ont pour la première fois transmis des informations sur une distance de plus de 100 km via la fibre optique. Cela est devenu possible grâce aux détecteurs à photon unique créés à l'institut, utilisant des nanofils supraconducteurs en siliciure de molybdène.
Il est clair que le système ou la technologie quantique idéal n'existe pas encore et que les grandes découvertes du futur sont encore à venir. Néanmoins, on peut essayer d'identifier d'éventuels candidats dans des applications spécifiques de téléportation. Une hybridation appropriée de ceux-ci, avec un cadre et des méthodes compatibles, pourrait offrir l'avenir le plus prometteur pour la téléportation quantique et ses applications.
Courtes distances
La téléportation sur de courtes distances (jusqu'à 1 m) en tant que sous-système informatique quantique est prometteuse pour les dispositifs à semi-conducteurs, dont le meilleur est le schéma QED. En particulier, les qubits transmon supraconducteurs peuvent garantir une téléportation sur puce déterministe et de haute précision. Ils permettent également une alimentation directe en temps réel, quisemble problématique sur les puces photoniques. De plus, ils offrent une architecture plus évolutive et une meilleure intégration des technologies existantes par rapport aux approches précédentes telles que les ions piégés. A l'heure actuelle, le seul inconvénient de ces systèmes semble être leur temps de cohérence limité (<100 µs). Ce problème peut être résolu en intégrant le circuit QED avec des cellules de mémoire semi-conductrices à ensemble de spin (avec des lacunes substituées à l'azote ou des cristaux dopés aux terres rares), ce qui peut fournir un long temps de cohérence pour le stockage de données quantiques. Cette implémentation fait actuellement l'objet de nombreux efforts de la part de la communauté scientifique.
Communication urbaine
La communication par téléportation à l'échelle d'une ville (plusieurs kilomètres) pourrait être développée en utilisant les modes optiques. Avec des pertes suffisamment faibles, ces systèmes offrent des débits et une bande passante élevés. Ils peuvent être étendus des implémentations de bureau aux systèmes de moyenne portée fonctionnant par radio ou par fibre, avec une intégration possible avec la mémoire quantique d'ensemble. Des distances plus longues mais des vitesses plus faibles peuvent être atteintes avec une approche hybride ou en développant de bons répéteurs basés sur des processus non gaussiens.
Communication longue distance
La téléportation quantique longue distance (plus de 100 km) est un domaine actif, mais souffre toujours d'un problème ouvert. Qubits de polarisation -les meilleurs transporteurs pour la téléportation à faible vitesse sur de longues liaisons à fibres optiques et par voie aérienne, mais le protocole est actuellement probabiliste en raison d'une détection incomplète de Bell.
Bien que la téléportation probabiliste et les enchevêtrements soient acceptables pour des problèmes tels que la distillation par intrication et la cryptographie quantique, cela est clairement différent de la communication, dans laquelle l'entrée doit être complètement préservée.
Si nous acceptons cette nature probabiliste, alors les implémentations de satellites sont à la portée de la technologie moderne. En plus de l'intégration des méthodes de poursuite, le principal problème est les pertes élevées causées par l'étalement du faisceau. Ceci peut être surmonté dans une configuration où l'enchevêtrement est distribué du satellite aux télescopes au sol à grande ouverture. En supposant une ouverture de satellite de 20 cm à 600 km d' altitude et une ouverture de télescope de 1 m au sol, on peut s'attendre à environ 75 dB d'affaiblissement en liaison descendante, ce qui est inférieur à l'affaiblissement de 80 dB au niveau du sol. Les implémentations sol-satellite ou satellite-satellite sont plus complexes.
Mémoire quantique
L'utilisation future de la téléportation dans le cadre d'un réseau évolutif dépend directement de son intégration à la mémoire quantique. Ce dernier devrait avoir une excellente interface rayonnement-matière en termes d'efficacité de conversion, de précision d'enregistrement et de lecture, de temps de stockage et de bande passante, de vitesse élevée et de capacité de stockage. PremièreÀ son tour, cela permettra à l'utilisation de relais d'étendre la communication bien au-delà de la transmission directe à l'aide de codes de correction d'erreurs. Le développement d'une bonne mémoire quantique permettrait non seulement de répartir l'intrication sur le réseau et la communication par téléportation, mais aussi de traiter les informations stockées de manière cohérente. En fin de compte, cela pourrait transformer le réseau en un ordinateur quantique distribué à l'échelle mondiale ou en la base d'un futur Internet quantique.
Développements prometteurs
Les ensembles atomiques sont traditionnellement considérés comme attrayants en raison de leur efficacité de conversion lumière-matière et de leur durée de vie en millisecondes, qui peut atteindre les 100 ms nécessaires pour transmettre la lumière à l'échelle mondiale. Cependant, des développements plus prometteurs sont attendus aujourd'hui sur la base de systèmes à semi-conducteurs, où une excellente mémoire quantique à ensemble de spin est directement intégrée à l'architecture de circuit QED évolutive. Cette mémoire peut non seulement prolonger le temps de cohérence du circuit QED, mais également fournir une interface optique-micro-onde pour l'interconversion des photons optique-télécom et puce micro-onde.
Ainsi, les futures découvertes des scientifiques dans le domaine de l'internet quantique seront probablement basées sur la communication optique à longue portée couplée à des nœuds semi-conducteurs pour traiter l'information quantique.
