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Des chercheurs observent une communication quantique contrefactuelle pour la toute première fois

Crédits : CC0 Public Domain

Dans le domaine quantique non intuitif, le phénomène de contrefactualité est défini comme le transfert d’un état quantique d’un site à l’autre sans qu’aucune particule quantique ou classique ne soit transmise entre eux. Des chercheurs assurent qu’ils viennent d’expérimenter ce phénomène pour la toute première fois des chercheurs.

La communication quantique est une physique étrange. L’une de ses formes les plus étranges est sans doute la communication dite contre-factuelle, c’est-à-dire un type de communication quantique où aucune particule ne se déplace entre deux destinataires. Cette forme de communication fut longtemps proposée par les physiciens théoriques et elle vient d’être expérimentée pour la première fois. Des chercheurs ont transféré une image bitmap (constituée d’un tableau, une grille où chaque case possède une teinte qui lui est propre) en noir et blanc d’un endroit à l’autre sans envoyer de particules physiques.

Ce type de communication très étrange diffère de la communication quantique régulière, également appelée téléportation quantique, qui n’est pas une forme de transfert d’informations sans particules. La téléportation quantique régulière est basée sur le principe de l’enchevêtrement : deux particules qui sont indissociablement liées, de sorte que tout ce qui arrive à l’une affectera automatiquement l’autre, peu importe à quel point elles sont séparées. Mais cette forme de téléportation quantique repose toujours sur la transmission de particules sous une forme ou une autre. Les deux particules doivent généralement être ensemble lorsqu’elles sont enchevêtrées (de sorte qu’elles commencent dans un endroit et doivent être transmises à un autre avant qu’une communication puisse se produire entre elles).

Alternativement, les particules peuvent être enchevêtrées à distance, mais elles nécessitent habituellement une autre particule (telle que des photons [particules de lumière]) pour se déplacer entre les deux. La communication quantique contre-factuelle directe repose quant à elle sur autre chose que l’enchevêtrement quantique. Elle utilise ce que les chercheurs appellent : l’effet Zeno quantique qui se produit lorsqu’un système quantique instable est mesuré à plusieurs reprises.

Dans le monde quantique, chaque fois que vous mesurez un système, le système change ensuite, mais les particules instables ne peuvent jamais se dégrader pendant qu’elles sont mesurées, de sorte que l’effet Zeno quantique (mesuré à plusieurs reprises) crée un système qui est effectivement « gelé » avec une probabilité très élevée.

La communication quantique contre-factuelle est donc basée sur cet effet zéno quantique et est définie comme le transfert d’un état quantique d’un site à l’autre sans que des particules quantiques ou classiques ne soient transmises entre eux. Cela nécessite une chaîne quantique à exécuter entre deux sites, ce qui signifie qu’il y a toujours une faible probabilité qu’une particule quantique traverse le canal. Si cela se produit, le système est mis au rebut et un nouveau est mis en place.

Pour mettre en place un tel système complexe, des chercheurs de l’Université des sciences et de la technologie de Chine ont placé deux détecteurs à un seul photon dans les ports de sortie d’un ensemble de diviseurs de faisceau. En raison de l’effet Zeno quantique, le système est gelé dans un certain état, il est donc possible de prédire lequel des détecteurs « cliquera » lorsque les photons traversent. Une série d’interféromètres imbriqués mesure l’état du système pour s’assurer qu’il ne change pas. Cela fonctionne en fonction du fait que dans le monde quantique, toutes les particules légères peuvent être décrites en détail par les fonctions des ondes plutôt que comme des particules. Ainsi, en intégrant des messages à la lumière, les chercheurs ont pu transmettre ce message sans envoyer directement une particule.

L’idée de base est celle-ci : Pierre veut envoyer une image à Paul en utilisant uniquement de la lumière (qui agit comme une onde et pas une particule dans le domaine quantique). Paul transfère un photon unique à l’interféromètre imbriqué où il peut être détecté par trois détecteurs à un seul photon : D 0, D 1 et D f. Si D 0 ou D 1 « clique », Paul peut conclure un résultat logique d’un ou de zéro. Si D f clique, le résultat est considéré comme non concluant.

Comme l’explique Christopher Packham sur le site Phys.org : « Après avoir communiqué tous les bits, les chercheurs ont réussi à rassembler l’image — un bitmap monochrome d’un nœud chinois. Les pixels noirs ont été définis comme logique 0, tandis que les pixels blancs ont été définis comme logique 1. Dans l’expérience, la phase de la lumière elle-même est devenue le porteur de l’information, et l’intensité de la lumière n’était pas pertinente pour l’expérience ». Il s’agit là d’un grand pas en avant pour la communication quantique. Les résultats devront maintenant être vérifiés par des pairs pour s’assurer que l’expérience menée fut un véritable exemple de communication quantique contre-factuelle.

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