La téléportation quantique grandeur nature

Téléporter. Un mot fascinant qui rappelle la série Star Trek, dans les années 1960, où le capitaine Kirk lançait son célèbre «Beam me up, Scotty!» pour revenir, sans coup férir, à bord de l’Enterprise. Téléporter, autrement dit détruire un original pour le recréer, instantanément, ailleurs. Une technique que les physiciens pratiquent couramment depuis 1997. Mais pas avec de la matière, on ne téléporte que des informations! La revue «Nature Photonics» relate aujourd’hui deux nouvelles expériences, qui décrivent un embryon de réseau de communication quantique, associant un utilisateur, un relais et un destinataire, en empruntant des fibres optiques commerciales urbaines. L’une en Chine, dans la ville d’Hefei, par le groupe de Jian-Wei Pan (Université de Shanghai) et l’autre au Canada, à Calgary, par le groupe de Wolfgang Kittel (Université de Calgary).

Arrêtons-nous un moment sur l’intrication quantique, la propriété physique sur laquelle repose la communication quantique. Elle consiste à préparer une paire de particules jumelles — le plus souvent des photons — de manière à mêler, intimement, leurs propriétés: toute modification de l’état de l’une modifiera l’autre de facto. Un changement instantané, et ce quelle que soit la distance qui les sépare! Ce principe d’intrication est utilisé pour transmettre des clés de codage et décodage de messages secrets à l’abri des oreilles indiscrètes: les lois de la physique quantique garantissent qu’une intrusion sera immédiatement repérée.

Répéteurs de signaux

Des dispositifs de cryptographie quantique reliant deux points sont commercialisés depuis une dizaine d’années, notamment par la firme suisse ID Quantique, née des travaux de Nicolas Gisin à l’Université de Genève. «Les systèmes commerciaux fonctionnent jusqu’à 100 km, tandis qu’en laboratoire, on atteint couramment 300 km», explique Grégoire Ribordy, le président de l’entreprise. Pour aller plus loin, il faut installer des répéteurs de signaux. «Aujourd’hui, dans les premiers relais quantiques, l’information qui arrive est convertie en information classique — détectable par un espion — avant d’être réémise sous forme quantique.» Le gouvernement chinois a donc sécurisé les relais de la première liaison quantique d’envergure au monde, entre Shanghai et Pékin (2000 km), qui sera inaugurée mi-novembre. «Pour disposer d’un relais 100% quantique, il faut faire appel à la téléportation», insiste Nicolas Gisin.

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Imaginez qu’une personne, Alice, souhaite adresser une information à un destinataire que nous appellerons Bob. Des prénoms choisis par les spécialistes de la cryptographie pour faciliter leurs discussions. Dans un premier temps, il faut préparer une paire de photons intriqués, dont l’un sera détenu par Alice, et l’autre par Bob. Puis, Alice fait interagir son photon intriqué avec un troisième — celui qui porte l’information à transmettre. L’état du photon intriqué d’Alice est altéré, ce qui entraîne une modification — instantanée — de son alter ego chez Bob. Quand au troisième photon, il a été détruit — absorbé — au cours de l’opération.

Ce principe est utilisé dans les expériences canadiennes (sur 6,2 km) et chinoise (sur 14,7 km) relatées aujourd’hui, une dizaine d’années après des travaux similaires du groupe de Nicolas Gisin, à plus courte distance. Il s’agit cette fois d’échanger des informations entre Alice et Bob, en passant par un relais baptisé Charlie. Dans les deux expériences, Alice envoie une information quantique à Charlie, qui se charge de la téléporter vers Bob; la liaison reste quantique de bout en bout. Mais toutes deux présentent la même limitation: «Il nous manque une véritable mémoire optique pour progresser», concède Qiang Zhang, coauteur de l’étude chinoise. «Quand l’information arrive d’Alice, il faut la faire patienter le temps que Charlie et Bob disposent d’une paire de photons intriqués, détaille Nicolas Gisin. Comme nous l’avions fait en 2007, mes collègues la retardent dans une longue fibre enroulée sur elle-même. Mais le temps de stockage est dicté par la longueur de la fibre. Dans une mémoire optique, on libère l’information à la demande.»

Avance chinoise

De telles mémoires existent déjà. «Notre composant peut mémoriser une information pendant une milliseconde, explique Nicolas Gisin. Nous souhaitons atteindre la seconde.» La surprise pourrait venir de Chine: «Il est évident que Pékin ne confiera pas le transport de ses secrets à une technologie étrangère; le gouvernement s’y emploie», poursuit le physicien. Alors que l’Europe consacre un milliard d’euros en dix ans à l’ensemble des technologies quantiques, Pékin dépense la même somme sur cinq ans et sur les seules communications quantiques! Un pari efficace: «Sur dix sociétés comme la nôtre, quatre sont chinoises», s’inquiète Grégoire Ribordy.

Avant même que l’autoroute quantique Pékin-Shanghai soit achevée, de nombreux petits réseaux y ont déjà été connectés. L’amorce d’une ossature de réseau internet ultrasécurisé encore unique au monde. Et ce n’est pas tout: an août dernier, Pékin a lancé un «satellite quantique». «On ne connaît évidemment pas les détails, souligne Nicolas Gisin, mais il est évident qu’il emporte tout ce qu’il faut pour tenter des expériences de cryptographie point à point et de téléportation.»

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