Téléportation Quantique

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

2. haut bas Téléportation = transfert d’un endroit à un autre sans passage par aucun lieu intermédiaire. … de la science-fiction au laboratoire de physique …

3. 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?

4. Récepteur La science fiction Emetteur o

5. Bob Récepteur La “Téléportation Quantique” Alice Emetteur o

6. Bob Récepteur La “Téléportation Quantique” Alice Emetteur o

7. Bob Récepteur La “Téléportation Quantique” Alice Emetteur o

8. Bob Récepteur La “Téléportation Quantique” Alice Emetteur o

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

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

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

12. ( 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.

13. Événement aléatoire non local Cause commune Corrélation à distance

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

15. Corrélation à distance V V R R Alice Bob • Observations: • Quelque soit la position de leur bouton, les lumières vertes et rouges chez Alice et chez Bob s’allumentau hasard, moitié du temps rouge, moitié verte. • Si – par chance – Alice et Bob ont choisit la mêmeposition pour leurs boutons, ils observent toujoursla même couleur.

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

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

18. 2- source of Aspect’s 1982 experiment

19. Violation de l‘inégalité de Bell sur 10 km 1997

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

21. 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. »

22. ) 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.

23. L’expérience de Genève: Téléportation Quantique Photon = particule inséquable (atome) de lumière Photon polarisé Photon dépolarisé ( poussière)

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

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

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

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

29. Téléportation résultats: Probabilité de succès = 93% ±4% L’information nécessaire pour terminer la téléportation est infiniment moindre que celle nécessaire pour décrire la structure téléportée.

30. 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.

31. Téléportation d’intrication téléportation mesure de Bell Photons intriqués bien qu’il ne se soient jamais rencontrés source de paires de photons intriqués source de paires de photons intriqués

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

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

34. 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

35. Contrôle continue L’homme qui tire 2x plus vite que la lumière L’homme qui tire 2x plus vite que la lumière 1. Vrai / Faux ??? 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.

36. 2. Qu’est-ce qui peut porter la structure téléportée ? 2. Qu’est-ce qui peut être téléporté ? Photon C’est fait C’est fait …depuis qcq mois Atome Probablement un jour ... Molécule ?? Impossible ?? Virus Encore du domaine de la science-fiction Object usuel

37. 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 !

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