Quand les photons font ménage à trois
Des physiciens de l'UNIGE ont découvert une nouvelle propriété quantique: en plaçant trois paires de photons en réseau, il est possible de les intriquer entre eux et de créer de nouvelles corrélations ultra fortes.


Un réseau quantique avec une structure triangulaire présente des corrélations quantiques nonlocales d'un type fondamentalement nouveau. © UNIGE

Une des propriétés propres aux particules quantiques est l'intrication: par exemple, lorsque deux photons sont intriqués, l'état quantique (En mécanique quantique, l'état d'un système décrit tous les aspects du système physique. Il est représenté par un objet mathématique qui donne le maximum d'information possible sur le système, dans le but de...) du premier sera parfaitement corrélé à l'état quantique du second, même s'ils sont éloignés l'un de l'autre. Mais que se passe-t-il lorsque l'on place en réseau trois paires de photons intriqués que l'on sépare de leur jumeau (Littéralement, le terme jumeau se réfère à tous les individus (ou l'un de ceux-ci) qui ont partagé le même utérus et qui sont nés le même jour. Les triplés (ou...) ? Des chercheurs de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) de Genève (UNIGE), en collaboration avec l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le...) de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...) en sciences fondamentales (IPM) de Téhéran, ont prouvé théoriquement qu'une nouvelle forme de corrélations quantiques en réseau est possible: en forçant deux photons de paires distinctes à s'intriquer, la liaison se fait également avec leur photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette...) jumeau présent ailleurs dans l'espace du réseau, formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la hauteur perçue est haute et inversement. Chaque voyelle se caractérise par son...) un triangle (En géométrie euclidienne, un triangle est une figure plane, formée par trois points et par les trois segments qui les relient. La dénomination de...) ultra (ULTra (pour (en)« Urban Light Transport ») est un système de transport individuel de type Personal Rapid Transit (PRT), autrement dit un moyen de transport automatique...) corrélé. Ces résultats, à lire dans la revue Physical Review Letters, ouvrent de nouvelles perspectives d'applications en cryptographie (La cryptographie est une des disciplines de la cryptologie s'attachant à protéger des messages (assurant confidentialité, authenticité et...), tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en offrant un renouveau de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne...) quantique à son niveau le plus fondamental.

L'intrication signifie que deux particules quantiques, par exemple des photons, ne forment qu'un seul système physique, malgré la distance les séparant. Chaque action sur l'un des deux photons se répercute alors sur son photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit d'un point de vue...) "jumeau". Ce principe d'intrication donne lieu à la non-localité quantique: les mesures et statistiques (La statistique est à la fois une science formelle, une méthode et une technique. Elle comprend la collecte, l'analyse, l'interprétation de données ainsi que la présentation de ces ressources...) des propriétés observées sur un des photons sont intimement corrélées aux mesures effectuées sur l'autre photon. "La non-localité quantique a été découverte théoriquement par John Stewart Bell (Bell Aircraft Corporation est un constructeur aéronautique américain fondé le 10 juillet 1935. Après avoir construit des avions de combat durant la Seconde Guerre mondiale, mais aussi le premier avion à avoir franchi le...) en 1964 et a permis de démontrer que les corrélations des photons sont de nature purement quantique, et ne peuvent donc pas être expliquées par la physique classique, explique Nicolas Brunner, professeur associé au Département de physique appliquée de la Faculté des sciences de l'UNIGE. Ce principe pourrait être utilisé pour générer des clés de chiffrement (En cryptographie, le chiffrement (parfois appelé à tort cryptage) est le procédé grâce auquel on peut rendre la compréhension d'un document impossible à toute...) ultra sécurisées."

Forcer l'intrication de photons en réseau: est-ce possible?

Mais est-ce que ce principe de non-localité quantique fonctionne toujours si l'on place plusieurs paires de photons en réseau ? "Pour répondre à cette question, nous avons imaginé une expérience comprenant trois paires de photons qui sont ensuite séparées et dispersées en trois points formant un triangle: à chaque sommet, deux photons d'une paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts a et b, et il s'écrit alors :) différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application définie à l'aide de la trace, dans l'anneau...) se retrouvent ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être...)", explique Marc-Olivier Renou, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant...) au Département de physique appliquée de la Faculté des sciences de l'UNIGE.

Dans un deuxième temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), les physiciens ont forcé les deux photons de chaque sommet du triangle à s'intriquer en les faisant interagir entre eux, puis ils ont effectué une mesure sur eux. Enfin, ils ont démontré que les statistiques résultants de ces mesures ne peuvent pas s'expliquer par une théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée...) physique locale. Qui plus est, ces statistiques sont si fortement corrélées, qu'elles pourraient représenter une nouvelle forme de corrélations quantiques. "Cela pourrait devenir une nouvelle version du théorème (Un théorème est une proposition qui peut être mathématiquement démontrée, c'est-à-dire une assertion qui peut être établie comme vraie au travers d'un raisonnement logique...) de Bell, propres aux réseaux quantiques", s'enthousiasme Nicolas Brunner.

Cette importante découverte théorique souligne la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) des corrélations quantiques dans les réseaux, qui dépasse largement ce qu'imaginaient les chercheurs. L'étape suivante consistera à observer ces phénomènes au laboratoire. "Ceci ne va pas être un jeu d'enfant, car la réalisation d'une telle expérience reste pour l'instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas intervalle de temps. Il ne peut donc être considéré...) extrêmement ardue", conclut Nicolas Gisin, professeur au Département de physique appliquée de la Faculté des sciences de l'UNIGE.

Contact chercheur:
Nicolas Brunner - Professeur associé au Département de physique appliquée- Faculté des sciences
Nicolas.Brunner at unige.ch

Référence publication:
Cette recherche est publiée dans Physical Review Letters
DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.140401
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