La téléportation quantique, loin des visions de science-fiction, est une réalité scientifique en plein essor. Cette technologie, permettant de transférer des propriétés quantiques entre particules, ouvre des perspectives révolutionnaires pour l’informatique et les réseaux de communication du futur. Les récentes avancées vers la téléportation de « qutrits » marquent une nouvelle étape, même si des débats persistent quant à la confirmation des expériences.
Le concept de téléportation quantique, qui semble tout droit sorti d’un roman, a vu le jour en 1993 grâce aux travaux théoriques d’Asher Peres et de cinq autres chercheurs. L’idée maîtresse, conçue par Charles Bennett, consistait à transposer le concept familier de téléportation à l’univers quantique. Cependant, la différence fondamentale réside dans ce qui est effectivement transféré : il ne s’agit pas de déplacer une substance physique, mais de répliquer ses propriétés d’une particule à une autre. La blague du physicien Asher Peres, qui affirmait pouvoir téléporter une âme mais pas un corps, illustre parfaitement cette distinction métaphorique : c’est l’état quantique, l’information fondamentale, qui est transmis.
Cette prouesse repose sur un phénomène fascinant, qualifié de « paradoxe EPR » par Albert Einstein, Boris Podolsky et Nathan Rosen en 1935. Il s’agit de l’intrication quantique : deux particules, une fois séparées dans l’espace, conservent un lien indéfectible. Toute action sur l’une, désignée par « Alice », se répercute instantanément sur l’autre, nommée « Bob ». Einstein qualifiait ce lien de « spooking action at a distance » (action fantomatique à distance), tant il semblait défier la limite de la vitesse de la lumière.
Développée théoriquement par John Stewart Bell en 1964 et validée par d’innombrables expériences, l’intrication quantique permet de transférer l’état quantique d’une particule. Dans le schéma proposé par Peres, Bennett et leurs équipes, une troisième particule interagit avec celle d’Alice, acquérant ainsi une partie de ses propriétés quantiques. Cette information est ensuite transmise à Bob, restaurant chez lui l’état quantique initial d’Alice. La particule de Bob se retrouve alors dans un état identique à celle qui avait interagi avec Alice, sans qu’il y ait eu de contact physique direct entre elles.
Des Qubits aux Qutrits : une révolution en marche
Depuis 1998, de multiples expériences ont confirmé la téléportation quantique, passant de photons uniques à des atomes et des systèmes plus complexes. Initialement réalisée sur de courtes distances, la portée s’est étendue à plusieurs centaines de mètres, puis à des kilomètres. Le record actuel, établi en 2017 par l’équipe de Jian-Wei Pan de l’Université chinoise des sciences et technologies de Hefei (USTC), a vu des photons téléportés sur 1 400 kilomètres, de la Terre jusqu’au satellite Micius en orbite.
Les informations transmises dans ces expériences sont codées sous forme de bits quantiques, ou « qubits ». Contrairement au bit classique qui ne peut prendre que les valeurs 0 ou 1, le qubit, grâce au principe de superposition quantique, peut représenter simultanément 0, 1, voire une combinaison des deux. Cette capacité confère à l’informatique quantique une puissance de calcul et de stockage bien supérieure à celle de ses homologues traditionnels.
Il est crucial de noter que la téléportation quantique, malgré son nom, ne permet pas une transmission de données instantanée ou plus rapide que la lumière. Pour que Bob puisse reconstituer l’état d’Alice, il a besoin d’informations supplémentaires concernant les mesures effectuées par Alice. Ces informations classiques doivent être transmises par un canal conventionnel, limitant ainsi la vitesse globale de la transmission.
Vers un réseau quantique mondial
Malgré cette contrainte, les applications potentielles de la téléportation quantique ne cessent de fasciner. Les progrès récents incluent la première transmission réussie de « qutrits », des unités d’information tridimensionnelles capables de prendre trois valeurs (0, 1 et 2). Deux équipes de recherche ont simultanément annoncé cette avancée cette année, apportant des nuances quant aux méthodes employées.
« Les deux études ont démontré la téléportation de qutrits », explique Bi-Heng Liu, physicien à l’USTC et co-auteur d’une des recherches. « La principale différence réside dans l’outil que nous avons utilisé. » Cependant, un certain scepticisme subsiste au sein de la communauté scientifique. Chao-Yang Lu, également physicien à l’USTC et co-auteur de l’autre étude publiée dans Physical Review Letters, émet des réserves : « L’existence même de la téléportation n’a pas été confirmée », affirme-t-il concernant les travaux de ses collègues. Manuel Erhard, de l’Université de Vienne et co-auteur de Lu, partage ce point de vue, estimant que les mesures et résultats de Liu ne sont pas suffisants pour revendiquer une téléportation quantique tridimensionnelle et universelle.
Liu, de son côté, défend la validité de ses résultats : « Nous avons effectué une simulation numérique et confirmé la téléportation de qutrits », assure-t-il. Ce débat soulève la question de l’extension de ces dispositifs à davantage de dimensions, une voie que Liu considère comme évolutive. Erhard affirme que son propre système peut aisément être adapté à n’importe quelle dimensionnalité, soulignant que « le développement technologique consiste à améliorer davantage la dimensionnalité ». Il se montre plus réservé quant à la flexibilité de la méthode de ses confrères.
L’intérêt d’accroître la dimensionalité réside dans la création de réseaux quantiques plus performants. « La téléportation quantique de haute dimension est possible dans les réseaux quantiques », explique Erhard. « Nous envisageons donc un potentiel réseau quantique basé sur un alphabet de plus grande dimension. Ceux-ci présentent l’avantage de capacités d’information plus élevées et, par exemple, d’une plus grande résistance au bruit. »
Le passage du qubit au qutrit, puis potentiellement au « ququart » et au-delà, jette les bases des futurs réseaux informatiques quantiques. Lu espère que sa méthode contribuera à atteindre ce que l’on appelle la suprématie quantique, c’est-à-dire la capacité de résoudre des problèmes inaccessibles aux ordinateurs classiques. « Nous introduisons des expériences d’informatique quantique multi-photons et multidimensionnelles appelées échantillonnage de bosons, et nous espérons que dans un avenir proche, nous prévoyons de surveiller 30 à 50 photons pour atteindre la suprématie quantique », conclut-il.