La Téléportation Quantique

La Téléportation Quantique
Groupe de Physique Appliquée, Université de Genève
Homepage: www.gapoptique.unige.ch
Deux photons «intriqués»
Le photon
On sait produire au laboratoire des paires de photons corrélés.
Voici un exemple de ce que l’on peut observer avec ces
paires: si on mesure la polarisation d’un photon de la paire, on
peut trouver n’importe quelle direction; mais l’autre photon de
la paire acquiert exactement la même polarisation, même si
les deux sont séparés par une grande distance.
En fait, la polarisation de chaque photon de la paire n’est pas
définie, mais la relation entre les deux polarisations est définie.
Une telle corrélation n’a pas d’analogue avec des objets de la
vie de tous les jours (quand deux vélos ont la même couleur,
chacun a aussi sa propre couleur bien définie). On parle
d’intrication, c’est en fait le coeur de la physique quantique.
Le photon est une «particule de lumière», c’est à dire la plus
petite quantité de lumière que l’on puisse détecter. Le photon
n’a pas de masse; son énergie est proportionnelle à la
fréquence de la lumière, son impulsion au vecteur d’onde.
Comme l’onde lumineuse qu’il forme, le photon peut prendre
différents états de polarisation; chaque état de polarisation
(linéaire) correspond à une direction dans l’espace, nous le
représentons par un segment.
La téléportation
On parle de téléportation lorsqu’un objet disparaît à un endroit et reapparaît à un autre endroit,
sans qu’il ait fallu le transporter par tous les endroits intermédiaires. On ne peut pas téléporter la
matière ou l’énergie, mais on peut téléporter l’état de polarisation (ou plus généralement,
l’état quantique). La téléportation de la polarisation s’effectue en trois étapes (voir les
schémas):
1. On prépare trois photons, un photon (A) portant la polarisation que l’on veut téléporter et les
deux autres (B et C) formant une paire intriquée.
2. On mesure le photon A et un photon de la paire (B) de manière judicieuse, dite Mesure de
Bell: on leur demande de définir leur relation (même polarisation? polarisation opposée?) sans
que chacun ne doive acquérir une polarisation bien définie. Selon la réponse, le troisième
photon (C), initialement intriqué avec B, possède à présent une polarisation bien définie qui est:
- la même que la polarisation initiale de A, si la Mesure de Bell a donné «même polarisation»
- opposée à la polarisation initiale de A, si la Mesure de Bell a donné «polarisation opposée»
3. On envoie le résultat de la Mesure de Bell à l’endroit où se trouve C en utilisant un canal
classique (téléphone, internet...): selon cette information, on laisse telle quelle (opération
identité I) ou on tourne (rotation R) la polarisation de C. On retrouve sur C la polarisation qui avait
été préparée sur A.
1.
A
B
C
2.
3.
«égaux»
A
«égaux» «opposés»
A
B
I
C
R
C
B
C
«opposés»
A
«égaux» «opposés»
A
B
C
B
Remarques importantes
- Avant que l’information sur le résultat de la
Mesure de Bell ne soit arrivée à l’endroit où se
trouve C, on ne peut rien conclure, même si le
changement de la polarisation de C est
instantané. En particulier, on ne peut pas utiliser
cet effet pour envoyer un signal voyageant
plus vite que la lumière: la téléportation ne
viole donc pas la relativité.
- En fait, la Mesure de Bell peut donner quatre
résultats, pas seulement deux; mais dans tous
les cas on peut réussir la téléportation en
envoyant le résultat de cette mesure.
- Application: cryptographie quantique (envoi
de messages secrets inviolables). Idée: coder
le message dans des états de polarisation de
photons et les téléporter: le message n’existe
dans aucun endroit intermédiaire où pourrait
se trouver un espion.