Intrication et téléportation

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Intrication et téléportation

Les chaussettes de M. Bertlmann

Le physicien John Bell a rendu célèbres les chaussettes de son collègue Reinhold Bertlmann, qui les portait toujours de couleurs différentes. Vous apercevez son pied gauche : rose. Sans regarder, vous savez que la droite n'est pas rose. Aucun mystère : les chaussettes ont été choisies le matin.

Des photons intriqués ressemblent à ces chaussettes. On les crée par paires, puis on les éloigne, de plusieurs kilomètres s'il le faut. Passez-les chacun dans un filtre orienté pareil :

chacun, pris seul, passe une fois sur deux, au hasard ;
mais les deux font toujours la même chose : passer ensemble, ou être arrêtés ensemble.

La question qui a opposé Einstein et Bohr : les photons emportent-ils, comme les chaussettes, une consigne fixée au départ ? Einstein le pensait (article dit « EPR », 1935). En 1964, John Bell trouve comment trancher par l'expérience : écran suivant.

Le jeu de Bell : trouvez la consigne cachée

Chaque photon d'une paire arrive devant un filtre réglé au hasard, de chaque côté, sur l'une de trois positions : 1 = 0°, 2 = 60°, 3 = 120°. Ce qu'on mesure dans la nature :

même position des deux côtés : toujours le même résultat ;
positions différentes : même résultat une fois sur quatre seulement, 25 % : la loi du chapitre 4 pour un écart de 60°.

Votre défi : écrire la consigne que chaque photon emporterait, comme les chaussettes : pour chaque position, passer ou être arrêté. Pour respecter la première règle, les deux photons d'une paire ont la même consigne.

Consigne cachée, identique dans les deux photons d'une paire :

Choisissez une consigne, puis lancez.

Il n'y a que deux réponses pour trois positions : toute consigne en a forcément deux qui disent la même chose. Quand le hasard tombe sur elles, les résultats coïncident : au moins 2 cas sur 6, soit 33 %. La nature donne 25 %. Aucune consigne écrite à l'avance ne peut faire si peu : c'est le théorème de Bell.

Ce que les expériences ont tranché :
John Clauser en 1972, Alain Aspect à Orsay en 1982, en changeant l'orientation des filtres pendant le vol des photons, puis Anton Zeilinger : la nature suit la prédiction quantique. Prix Nobel de physique 2022 pour les trois. Depuis 2015, des expériences ont fermé les dernières failles.

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Plus vite que la lumière ? Non

Einstein se moquait d'une « action fantôme à distance ». Pourtant rien ne voyage, et rien ne peut servir de message :

de chaque côté, on ne voit qu'un hasard parfait, une fois sur deux, quoi que fasse l'autre ;
la ressemblance n'apparaît qu'en comparant les deux listes, donc après un échange ordinaire : téléphone, fibre, courrier, jamais plus rapide que la lumière.

Idée reçue :
« l'intrication permettra de parler instantanément avec Mars ». Non : aucune expérience ne le permet, et la théorie l'interdit. On peut seulement partager à distance un hasard identique, ce qui sert à fabriquer des clés de chiffrement : un espion qui s'en mêle laisse forcément des traces.

La téléportation : on transporte un état, pas un objet

Le mot vient de la science-fiction ; la chose est plus modeste, et plus étonnante. Alice veut transmettre à Bob l'état d'un photon, sa polarisation par exemple, sans le connaître et sans envoyer ce photon. Cliquer les pastilles :

Alice et Bob se partagent à l'avance une paire de photons intriqués.

Alice reçoit en plus le photon dont l'état doit voyager. Elle ne le connaît pas : le mesurer le détruirait.

Alice mesure ensemble ce photon et sa moitié de paire. Le résultat, un parmi quatre, tient en 2 bits. L'état de départ est détruit : chez Alice, il ne reste que ces 2 bits.

Alice envoie ses 2 bits à Bob par une voie ordinaire : téléphone, fibre, radio. Ils voyagent au mieux à la vitesse de la lumière.

Selon les 2 bits, Bob fait l'une des quatre corrections prévues sur son photon : celui-ci prend exactement l'état de départ.

rien de matériel ne voyage : Bob avait déjà son photon ;
l'original disparaît : la nature interdit de copier un état inconnuC'est le théorème de non-clonage (1982). Sans lui, on pourrait tricher avec le hasard quantique et envoyer des messages plus vite que la lumière. ;
sans les 2 bits du coup de téléphone, Bob n'a que du hasard.

À retenir : la téléportation quantique déplace une information fragile sans la lire. Elle servira à relier de futurs ordinateurs quantiques. Pour un voyageur, on repassera : il faudrait l'état de milliards de milliards d'atomes.

Imaginée en 1993 par Charles Bennett et ses collègues, réalisée en 1997 à Innsbruck (équipe d'Anton Zeilinger) et à Rome ; 143 km entre deux îles des Canaries en 2012 ; jusqu'à 1 400 km entre le Tibet et le satellite chinois Micius en 2017.