Samedi-sciences (57) : téléportation quantique, Scotty !

Les amateurs de la série Star Trek sont familiers de la scène : l’ingénieur Montgomery Scott, alias « Scotty », actionne le bouton du « téléporteur » qui permet de transporter instantanément le capitaine Kirk sur une planète inconnue.

Le logo de Star Trek en 2007 © DR Le logo de Star Trek en 2007 © DR
Les amateurs de la série Star Trek sont familiers de la scène : l’ingénieur Montgomery Scott, alias « Scotty », actionne le bouton du « téléporteur » qui permet de transporter instantanément le capitaine Kirk sur une planète inconnue. La téléportation est devenue l’un des éléments forts de la série, mais c’était au départ une trouvaille de scénario qui permettait d’éviter la mise en scène coûteuse du décollage et de l’atterrissage du vaisseau spatial.

Ce que les scénaristes n’avaient sans doute pas anticipé, c’est que la téléportation passerait un jour du domaine de la science-fiction à celui du laboratoire de physique. On découvre ainsi dans la revue Nature (13 septembre) qu’une équipe internationale de physiciens dirigée par l’Autrichien Anton Zeilinger vient de battre le record de distance franchie par téléportation : 143 kilomètres entre deux observatoires situés sur deux des îles Canaries, l’un à La Palma et l’autre à Ténérife.

 Il convient de préciser qu’il s’agit de téléportation « quantique » : ce qui a été téléporté n’est pas un objet matériel ou une personne, mais l’état quantique d’une particule de lumière, d’un photon. Autrement dit, les physiciens ont transféré instantanément les paramètres caractéristiques d’un photon A se trouvant à La Palma sur un photon B se trouvant à Ténérife.

 Les physiciens décrivent l’expérience en introduisant deux personnages, appelés Alice et Bob. Alice est à La Palma, au « Jacobus Kapteyn Telescope » qui dépend du « Groupe Isaac Newton », un observatoire géré par le Royaume-Uni, les Pays-Bas et l’Espagne. Bob est à Ténérife, à la « Station optique au sol » de l’agence spatiale européenne. Les deux observatoires sont éloignés de 143 kilomètres.

Alice s’occupe du photon A, Bob du photon B. Le secret de la manip est que les deux photons A et B ne sont pas indépendants, mais « jumeaux ». Leurs états sont « intriqués ». En d’autre termes, si l’on modifie l’état de l’un d’entre eux, l’autre réagit instantanément, même si les deux particules sont très éloignées l’une de l’autre.

Cette « intrication » est le plus étonnant de toute l’histoire : contrairement aux objets de notre monde quotidien, les photons, qui sont des particules quantiques, ne se comportent pas nécessairement comme des objets séparés. Si deux photons ont été « jumelés », ils continuent de former une paire indissociable, un ensemble unique, aussi loin soient-ils l’un de l’autre. Et lorsqu’on agit sur l’un d’entre eux, tout se passe comme si l’on agissait en fait sur l’ensemble. Une action sur l’un des jumeaux entraîne donc aussitôt un effet sur l’autre jumeau.

Supposons qu’Alice fasse interagir son photon A avec un photon « source » S ; le résultat est un changement d’état de A ; or, ce changement d’état va se refléter instantanément sur B. Par exemple, la polarisation du photon B va prendre une valeur déterminée par celle de A. Et cela, bien qu’il n’y ait aucune communication ou interaction entre A et B.

Cette propriété très mystérieuse des particules jumelles a beaucoup intrigué les fondateurs de la théorie quantique. Albert Einstein et Niels Bohr, notamment, ont eu un long débat philosophique sur la nature de la réalité en physique quantique. Einstein jugeait la théorie insatisfaisante, parce que le fait que deux particules jumelles aient des états « corrélés » sans qu’on comprenne très bien en quoi consistait cette corrélation lui paraissait inacceptable.

Mais le débat philosophique a été tranché par l’expérience : de fait, deux particules quantiques se comportent dans certaines situations comme si elles ne pouvaient pas être « séparées » en objets distincts, et ce n’est dû à aucune mystérieuse interaction ; en d’autres termes, il faut simplement accepter que les photons ou les électrons ne sont pas comme des objets ordinaires.

Revenons à Alice et Bob. A la Palma, Alice fait interagir son photon A avec S, puis mesure les caractéristiques du photon A. A Ténérife, le photon de Bob prend instantanément l’état quantique de celui d’Alice. C’est en cela que consiste la téléportation quantique.

Le Jacobus Kapteyn Telescope au-dessus des nuages  © Christopher H.S. Le Jacobus Kapteyn Telescope au-dessus des nuages © Christopher H.S.

Problème : est-ce que la manip n’implique pas qu’Alice a envoyé un message instantané à Bob ? Ce qui serait tout à fait « interdit » par les lois de la physique, selon lesquelles une information ne peut pas circuler à une vitesse supérieure à celle de la lumière ?

En fait, non. Car Alice ne peut pas contrôler l’information téléportée, c’est-à-dire l’état du photon A après interaction avec S. Cet état est régi par une loi probabiliste et n’est donc pas prévisible. Pour contrôler l’état de B et vérifier la liaison entre les deux photons, Bob doit connaître le résultat de la mesure d’Alice. Ce résultat est envoyé à Bob par un canal classique, à une vitesse inférieure à celle de la lumière. Par conséquent, l’information complète ne voyage pas plus vite que la lumière. Ouf !

Il n’en reste pas moins que la téléportation quantique est un phénomène peu banal, qui met en évidence l’étrangeté des objets de la physique quantique. Rien que pour cela, le phénomène fascine les scientifiques, à l’instar du physicien suisse Nicolas Gisin, de l’école Polytechnique fédérale de Lausanne (voir la vidéo ici).

Mais la téléportation quantique n’est pas seulement étonnante, elle pourrait aussi avoir une utilité pratique. Au stade actuel une application a été imaginée par les physiciens : l’envoi de messages cryptés. Dans l’expérience décrite plus haut, Alice transmet à Bob un « message » en deux parties : une partie est le transfert instantané de l’état du photon A au photon B ; l’autre partie est le résultat de la mesure faite par Alice, transmis par un canal classique.

Le « message » complet nécessite les deux éléments. Seul Bob est en position de réunir ces deux éléments. Imaginons qu’on utilise le système pour transmettre un message secret. Comme il est impossible d’intercepter le transfert quantique entre le photon A et le photon B, cela signifie que le système serait impossible à pirater.

On n’en est pas encore là. Le prochaine étape, selon Anton Zeilinger, serait de réaliser une téléportation quantique entre la Terre et un satellite en orbite. En attendant l’Internet quantique, qui permettrait de transmettre d’immenses quantités d’information en toute sécurité et avec une vitesse inégalée. Grâce à la téléportation quantique, il sera bientôt possible de se connecter instantanément à Mediapart de n’importe quel point de la planète, sans le moindre problème de téléchargement. Même Einstein ne l’avait pas prévu !

 

 

 

 

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