La téléportation, un voyage en mécanique quantique

On dit que les chercheurs sont de grands enfants, toujours émerveillés devant les secrets de dame Nature. Chez certains, les heures passées à regarder Star Trek en rentrant de l'école ont clairement laissé des traces : voilà qu'ils rêvent de téléportation. Et ils y arrivent !

Incertitude, quand tu nous tiens

Prenez une pièce de monnaie. Pas plus de cinq centimes, ce n'est pas le moment de jeter l'argent par les fenêtres. Posez-la sur la tranche, faites-la tourner sur elle-même puis rameutez un compère à qui vous demandez, l'œil fier-de-votre-astuce : « Alors, pile ou face ? » Ni l'un ni l'autre, rétorquera le camarade inculte en mécanique quantique. Car s'il était averti, il vous cinglerait la réponse officielle du physicien : « Les deux à la fois ! »

Voilà un des principes fondateurs de la mécanique quantique, science qui étudie les composants intimes de la matière à partir d'idées tellement folles que personne ne les comprend vraiment. Et pourtant elles marchent… Ce principe, donc, exige que chaque particule n'existe pas sous la forme d'un état unique mais d'une multitude d'états, existant tous à la fois et avec la même probabilité. Comme la pièce de monnaie en mouvement perpétuel, ni pile ni face mais « 50% pile 50% face ».

Deuxième principe fondateur : si vous tentez d'observer la particule en question, vous perturbez irrémédiablement son mouvement et vous l'obligez à choisir un camp. Pour savoir si la pièce est en laiton ou en or massif, vous l'approchez au point de la faire choir sur la table, et une pièce qui choit fait un choix : choit c'est pile, choit ch'est fache. Minche, pardon…

Donc, rien qu'en observant la particule, vous la forcez à passer d'un état multiple et indéfini (50-50) à un état unique et précis. Vous pouvez vous chercher une aspirine.

Des particules indissociables, mêmes séparées par l'infini

Autre grande découverte de la mécanique quantique : deux particules, sous certaines conditions, peuvent devenir de véritables siamoises, au point que toute action sur l'une se répercute immédiatement sur l'autre. Même si elles sont séparées par des millions de kilomètres ! Elles sont, disent les spécialistes, intriquées. Reliées par un fil invisible mais pourtant là, extensible à l'infini, remettant en cause tout ce qu'on nous a appris sur la matière depuis le CE1.

Imaginez cette fois deux pièces de cinq centimes qui toupient dans l'état « 50% pile 50% face », l'une sur votre bureau, l'autre sur celui du Premier ministre australien dont on se demande ce qu'il fiche à jouer avec de la petite monnaie qui ne vient même pas de chez lui. Ces deux pièces sont intriquées, donc elles se connaissent sur le bout des emblèmes. Si vous décidez d'observer votre pièce de plus près, selon les principes de la mécanique quantique vous finirez par la faire tomber. Alors elle se figera dans un état, au hasard « pile ».

Au même moment, par un mécanisme à laisser coite toute une portée de Garcimore, l'autre pièce, qui tournoie dans l'hémisphère sud, tombe elle aussi. Et pas n'importe où : sa siamoise étant « pile », elle choisira le côté « face » ! Car la parité doit toujours être respectée. Prises ensembles, les deux pièces doivent être moitié pile, moitié face. La communication est donc instantanée et à haute fidélité entre les deux particules. Vous pouvez applaudir le miracle, et prendre une deuxième aspirine.

Le rêve devient réalité… quantique

Ça semble fou, et pourtant ça marche. Pour preuve, l'intrication quantique des particules a été utilisée pour transférer de l'information à distance, sans lien matériel entre le départ et l'arrivée. Une sorte de téléportation, non pas d'un objet concret comme une brique de soupe ou un chevalier Jedi, mais d'une information.

A l'échelle quantique, une « information » peut être l'état d'énergie d'une particule. Si votre pièce réalise 100 tours par seconde, elle possède peu d'énergie, on décrète qu'elle se trouve dans l'état « 0 ». Si elle fonce à 50 000 tours par seconde, elle est gavée d'énergie donc classée dans l'état « 1 ». Et comme toujours en mécanique quantique, toute particule à l'état libre n'est ni « 0 » ni « 1 » mais les deux à la fois.

Jusqu'à présent, les chercheurs avaient réussi à téléporter une information quantique (un état d'énergie) entre deux photons, des particules intéressantes car elles restent intriquées même à très grande distance. Mais elles ne peuvent pas conserver longtemps une information. On a testé le protocole avec deux atomes, des particules bien plus lourdes pouvant stocker efficacement une info. Problème, celle-ci ne se téléportait entre les deux atomes qu'à très courte distance, et encore, avec l'aide d'un troisième.

Restait donc à téléporter une information entre deux atomes et sur une longue distance. C'est une équipe de l'Université de Maryland (Etats-Unis) qui réalisa l'exploit, publié fin janvier dans le magazine Science. Cette fois, les atomes étaient séparés d'un mètre, une immensité à l'échelle quantique.

« E.T. téléporte maison », prochain langage des ordinateurs ?

Pour y parvenir, les chercheurs ont isolé deux ions d'ytterbium (oui, ça existe) puis les ont dotés du même état d'énergie 0. Ils en ont alors chauffé un, appelons-le A, pour lui donner son « information » : un état d'énergie 0/1, soit moitié-0 moitié-1. Puis ils se sont débrouillés pour intriquer A avec son copain B. Les deux ions étaient alors liés, à la vie à la mort.

Les chercheurs ont ensuite perturbé le système en observant A, ce qui a conduit à sa chute de l'état 0/1 vers un état unique, disons l'état 0. Grâce à l'intrication entre les deux ions, A étant passé à l'état 0, B a immédiatement bondi jusqu'à l'état 1 pour conserver l'harmonie du couple.

Or les physiciens savent chauffer et refroidir les particules à la demande. Facile donc pour eux de modifier l'ion B à son tour pour le faire passer de 1 à l'état 0/1. Et hop ! L'information « 0/1 » initialement stockée sur A fut téléportée sur B. Rien dans les poches, rien dans les mains.

De la magie ? Presque. Une nouvelle lubie SF d'un rêveur de laboratoire ? Point du tout. La mécanique quantique a déjà envahi nos vies, notamment nos systèmes de communication. Si ce procédé de téléportation d'info entre deux atomes devient maîtrisable et exploitable, on peut imaginer dans un avenir proche des ordinateurs communicant par son intermédiaire. Avec toujours plus de puissance, de précision, d'efficacité, et un encombrement minimum. Car quoi de plus petit qu'une particule élémentaire ?

D'ici la, s'il vous reste des comprimés… (Voir la vidéo)

Ailleurs sur le Web
► Le dossier de JQI News sur la téléportation des atomes sur longue distance (PDF en anglais)

Photo : « In the Process of Teleportation » (Ella Novak/Fickr).