Enchevêtrement plus rapide de points quantiques éloignés

Dans de nombreuses technologies futures de l'information et des télécommunications, ce que l'on appelle l'intrication, un effet surprenant de la physique quantique, jouera probablement un r?le important. L'intrication de deux objets quantiques fait que les mesures effectuées sur l'un des objets déterminent instantanément les propriétés de l'autre - sans que des informations aient été échangées entre les deux.

Albert Einstein qualifiait encore avec réticence cette étrange non-localité d'"effet à distance hanté". Entre-temps, les physiciens s'y sont familiarisés depuis longtemps et tentent de l'utiliser à bon escient, par exemple pour transmettre des données sans risque d'interception. Pour cela, il est indispensable de provoquer une intrication de particules quantiques éloignées dans l'espace. Ce n'est pas simple et cela fonctionne généralement très lentement. Des physiciens réunis autour d'Atac Imamoglu, professeur à l'Institut d'électronique quantique de l'ETH Zurich, viennent de mettre en évidence un procédé qui permet de créer mille fois plus d'intrications par seconde qu'auparavant.

Des points quantiques éloignés

Pour leurs expériences, les jeunes chercheurs Aymeric Delteil, Zhe Sun et Wei-bo Gao ont utilisé deux "points quantiques" qu'ils ont placés à cinq mètres de distance l'un de l'autre dans leur laboratoire. Les points quantiques sont de minuscules structures de quelques nanomètres seulement à l'intérieur d'un matériau semi-conducteur, dans lesquelles les électrons sont piégés comme dans une cage. Les états énergétiques quantiques des électrons peuvent être représentés par des spins, c'est-à-dire des flèches pointant vers le haut ou vers le bas. Si les états de spin sont enchevêtrés, il est possible de déduire, à partir d'une mesure sur l'un des points quantiques, dans quel état se trouve l'autre. Si le spin du premier point quantique pointe vers le haut, l'autre pointe vers le bas, et inversement. Toutefois, avant la mesure, on ne sait pas dans quelle direction il pointe : ils se trouvent dans une superposition quantique des deux combinaisons de spin possibles.

Enchevêtrement par grenaille

Pour enchevêtrer les deux points quantiques, les chercheurs de l'ETH ont utilisé le principe de "l'annonce". "Malheureusement, il n'existe actuellement pratiquement aucune possibilité d'enchevêtrer des objets quantiques éloignés avec certitude et en appuyant sur un bouton", explique Imamoglu. Au lieu de cela, il faut créer les états d'enchevêtrement selon la méthode du tir à la grenaille, en bombardant sans cesse les points quantiques avec des particules de lumière, qui sont ensuite rétrodiffusées. Dans quelques cas, il se produit alors des coups de chance : l'une des particules de lumière déclenche un "clic" dans un détecteur, et les états de spin ainsi créés sont effectivement intriqués.

Imamoglu et ses collègues exploitent cette astuce. Ils envoient des impulsions laser aux deux points quantiques en même temps et mesurent les particules de lumière qu'ils émettent ensuite. Auparavant, ils ont fait en sorte qu'il soit impossible de savoir de quel point quantique proviennent les particules de lumière. Le clic dans le détecteur "annonce" alors aux chercheurs que les points quantiques ont effectivement été intriqués par les impulsions laser et leur signale qu'ils peuvent désormais être utilisés, par exemple, pour transmettre des informations quantiques.

Des améliorations possibles

Les chercheurs ont testé leur méthode en bombardant les deux points quantiques d'impulsions laser environ dix millions de fois par seconde. Ce taux de répétition élevé a été possible gr?ce au fait que les états de spin des points quantiques peuvent être contr?lés en quelques nanosecondes. Les mesures ont montré que des états enchevêtrés des points quantiques étaient ainsi créés 2300 fois par seconde.

"C'est déjà un bon début", dit Imamoglu, ajoutant qu'il est tout à fait possible d'améliorer la procédure. Par exemple, pour pouvoir enchevêtrer des points quantiques distants de plus de cinq mètres, il faut d'abord prolonger leur temps de cohérence. Celui-ci indique combien de temps un état quantique subsiste avant d'être détruit par l'action de son environnement (par exemple par des champs électriques ou magnétiques). Si la particule de lumière annonciatrice a besoin de plus de temps que le temps de cohérence pour se rendre au détecteur, un clic n'annonce plus l'intrication. Dans les expériences futures, les physiciens veulent donc remplacer les points quantiques individuels par des molécules appelées points quantiques, dont les temps de cohérence sont cent fois plus longs. Une amélioration de la probabilité de détection des particules de lumière pourrait également conduire à un rendement encore meilleur de l'intrication.