Introduction
Ce mois-ci, trois scientifiques ont remporté le prix Nobel de physique pour leur travail prouvant l'une des réalités les plus contre-intuitives mais conséquentes du monde quantique. Ils ont montré que deux particules quantiques intriquées doivent être considérées comme un système unique - leurs états inexorablement liés les uns aux autres - même si les particules sont séparées par de grandes distances. En pratique, ce phénomène de « non-localité » signifie que le système que vous avez devant vous peut être instantanément affecté par quelque chose qui se trouve à des milliers de kilomètres.
L'intrication et la non-localité permettent aux informaticiens de créer des codes indéchiffrables. Dans une technique connue sous le nom de distribution de clé quantique indépendante de l'appareil, une paire de particules est enchevêtrée puis distribuée à deux personnes. Les propriétés partagées des particules peuvent désormais servir de code, un code qui protégera les communications même des ordinateurs quantiques – des machines capables de percer les techniques de cryptage classiques.
Mais pourquoi s'arrêter à deux particules ? En théorie, il n'y a pas de limite supérieure au nombre de particules pouvant partager un état intriqué. Pendant des décennies, les physiciens théoriciens ont imaginé des connexions quantiques à trois, à quatre et même à 100 voies – le genre de chose qui permettrait un Internet protégé quantique entièrement distribué. Maintenant, un laboratoire en Chine a réalisé ce qui semble être un enchevêtrement non local entre trois particules à la fois, renforçant potentiellement la force de la cryptographie quantique et les possibilités des réseaux quantiques en général.
"La non-localité bipartite est déjà assez folle comme ça", a déclaré Pierre Bierhorst, théoricien de l'information quantique à l'Université de la Nouvelle-Orléans. "Mais il s'avère que la mécanique quantique peut faire des choses qui vont même au-delà lorsque vous avez trois parties."
Les physiciens ont déjà intriqué plus de deux particules. Le record se situe quelque part entre 14 particules ainsi que 15 billions, selon à qui vous demandez. Mais ce n'était que sur de courtes distances, à quelques centimètres au plus. Pour rendre l'enchevêtrement multipartite utile pour la cryptographie, les scientifiques doivent aller au-delà du simple enchevêtrement et démontrer la non-localité - "une barre haute à atteindre", a déclaré Élie Wolfe, théoricien quantique au Perimeter Institute for Theoretical Physics à Waterloo, Canada.
La clé pour prouver la non-localité est de tester si les propriétés d'une particule correspondent aux propriétés de l'autre - la marque de l'intrication - une fois qu'elles sont suffisamment éloignées pour que rien d'autre ne puisse provoquer les effets. Par exemple, une particule qui est encore physiquement proche de son jumeau intriqué peut émettre un rayonnement qui affecte l'autre. Mais s'ils sont distants d'un mile et mesurés pratiquement instantanément, ils ne sont probablement liés que par enchevêtrement. Les expérimentateurs utilisent un ensemble d'équations appelé Inégalités de cloche pour exclure toute autre explication des propriétés liées des particules.
Avec trois particules, le processus de preuve de non-localité est similaire, mais il y a plus de possibilités à exclure. Cela augmente la complexité des mesures et des obstacles mathématiques que les scientifiques doivent franchir pour prouver la relation non locale des trois particules. "Vous devez trouver une manière créative de l'aborder", a déclaré Bierhorst - et disposer de la technologie pour créer les conditions idéales en laboratoire.
Dans les résultats publiés en août, une équipe de Hefei, en Chine, a fait un bond en avant crucial. Tout d'abord, en lançant des lasers à travers un type spécial de cristal, ils enchevêtré trois photons et les a placés dans différentes zones de l'installation de recherche, à des centaines de mètres l'un de l'autre. Ensuite, ils ont mesuré simultanément une propriété aléatoire de chaque photon. Les chercheurs ont analysé les mesures et ont découvert que la relation entre les trois particules était mieux expliquée par la non-localité quantique à trois voies. C'était la démonstration la plus complète de non-localité à trois voies à ce jour.
Techniquement, il reste une petite chance que quelque chose d'autre ait causé les résultats. "Nous avons encore des échappatoires ouvertes", a déclaré Gu Xuemei, l'un des principaux auteurs de l'étude. Mais en séparant les particules, ils ont pu exclure l'explication alternative la plus flagrante de leurs données : la proximité physique.
Les auteurs ont également basé leur expérience sur une nouvelle, définition plus stricte de non-localité à trois voies qui gagne du terrain depuis quelques années. Alors que les expériences passées permettaient une coopération entre les appareils qui mesuraient les photons, les trois appareils de Gu ne pouvaient pas communiquer. Au lieu de cela, ils ont effectué des mesures aléatoires des particules – une restriction qui serait utile dans les scénarios cryptographiques où toute communication peut être compromise, a déclaré René Renner, physicien quantique à l'Ecole polytechnique fédérale de Zurich. (En utilisant l'ancien paradigme, une équipe canadienne démontré non-localité à trois voies à distance en 2014.)
Maintenant que les chercheurs qui suivent la nouvelle définition ont réussi à emmêler des particules aussi éloignées, ils peuvent se concentrer sur l'expansion de la distance encore plus loin.
"C'est un tremplin important vers la réalisation d'expériences à plus longue distance et à plus grande échelle", a déclaré Saïkat Guha, théoricien de l'information quantique à l'Université de l'Arizona.
Plus directement, cette technologie peut alimenter une distribution de clé quantique plus étendue, a déclaré Renner. Si vous utilisez des particules intriquées comme clé de cryptage, les mêmes inégalités de Bell que les physiciens utilisent pour tester la non-localité peuvent garantir que votre secret est complètement sécurisé. Ensuite, même si l'appareil que vous utilisez pour envoyer ou recevoir un message est manipulé de manière malveillante par votre pire ennemi, il ne pourra pas déterminer votre clé quantique. Ces secrets restent entre vous et celui qui a l'autre particule intriquée.
Introduction
La distribution de clés quantiques est "la chose qui passionne les gens", a déclaré Renner. L'année dernière, trois groupes distincts a démontré le protocole en laboratoire, mais toujours à petite échelle. C'est pourquoi la non-localité à trois voies sera si importante. "Vous avez en principe beaucoup plus de puissance cryptographique", car ces connexions à trois ne peuvent pas être simulées en bricolant quelques liens à double sens.
"C'est un niveau de phénomène fondamentalement nouveau", a déclaré Bierhorst, qui pourrait étendre la cryptographie indépendante de l'appareil, de la communication bidirectionnelle de base à un réseau entier de partageurs de secrets.
Outre la cryptographie, l'intrication multipartite ouvre également des possibilités pour d'autres types de réseaux quantiques. Des chercheurs comme Guha travaillent sur un Internet quantique, qui pourrait relier des ordinateurs quantiques de la même manière qu'Internet ordinaire connecte des appareils ordinaires. Ce système rassemblerait la puissance de calcul de nombreux dispositifs quantiques en connectant des millions de particules avec différents niveaux d'enchevêtrement sur des distances variables. Nous avons tous les éléments de base individuels pour un tel système, a déclaré Guha, mais l'assembler "est un énorme, énorme défi d'ingénierie". Avec cet objectif en tête, des scientifiques néerlandais ont réussi en enchevêtrant trois particules dans un réseau couvrant deux laboratoires distincts - bien que contrairement à l'équipe de Gu, ils n'étaient pas concentrés sur la démonstration de la non-localité.
Ce travail sur l'intrication à trois voies a commencé comme "juste un phénomène intéressant", a déclaré Bierhorst. Mais "lorsque vous avez quelque chose que la mécanique quantique peut faire et qu'il est impossible de faire autrement, cela va ouvrir toutes sortes de nouvelles possibilités technologiques qui peuvent être exploitées de manière imprévue".
Pour l'instant, quelques laboratoires ont démontré une non-localité à quatre voies entre des particules très proches les unes des autres. « Ces expériences sont assez spéculatives à ce stade. Vous devez faire beaucoup d'hypothèses », a déclaré Bierhorst.
Les expériences à trois facteurs reposent également sur certaines hypothèses. Les lauréats du prix Nobel ont passé un demi-siècle à éliminer ces failles dans leurs expériences bilatérales, réussissant finalement en 2017. Mais nous avons parcouru un long chemin depuis lors sur le plan technologique, a déclaré Renner.
"Ce qui [a pris] des décennies auparavant se produira maintenant dans un an environ", a-t-il déclaré.
