Les physiciens quantiques ont célébré en octobre lorsque le comité Nobel a décerné un prix longtemps attendu prix de physique à Alain Aspect, John Clauser et Anton Zeilinger pour leur travail de pionnier recherche sur l'intrication quantique. Mais la communauté ne s'est certainement pas reposée sur ses lauriers, et avec tant d'autres développements passionnants en 2022, il est difficile de ne retenir que quelques faits saillants. Néanmoins, voici quelques résultats qui se sont démarqués pour nous dans les domaines de la détection quantique, de l'information quantique, de l'informatique quantique, de la cryptographie quantique et de la science quantique fondamentale.
En mécanique quantique, le principe de délocalisation stipule qu'une particule quantique peut, dans un certain sens onduleux, se trouver à plusieurs endroits à la fois. Le principe d'intrication, quant à lui, stipule que les particules quantiques connaissent une connexion qui permet à la condition d'une particule de déterminer celle d'une autre, même sur de grandes distances. En novembre, des physiciens du JILA dans le Colorado, aux États-Unis, ont utilisé une combinaison d'intrication et de délocalisation pour supprimer le bruit qui rendait auparavant impossible la détection d'accélérations inférieures à la soi-disant limite quantique. Cette limite est fixée par le bruit quantique des particules individuelles, et elle a longtemps été une contrainte importante sur la précision des capteurs quantiques. Le surmonter est donc un grand pas en avant.
L'envoi d'informations quantiques d'un nœud d'un réseau à un autre n'est pas facile. Si vous encodez l'information en photons envoyés dans une fibre optique, les pertes dans la fibre rongent la fidélité du signal jusqu'à ce qu'il devienne illisible. Si vous utilisez plutôt l'intrication quantique pour téléporter directement les informations, vous introduisez d'autres processus qui, hélas, dégradent également le signal. Ajout d'un troisième nœud au réseau, en tant que physiciens de QuTech aux Pays-Bas fait en 2021, ne fait que compliquer la tâche. C'est pourquoi il est si impressionnant que les chercheurs de QuTech aient poursuivi leur succès antérieur en téléportant des informations quantiques d'un expéditeur (Alice) à un récepteur (Charlie) via un nœud intermédiaire (Bob). Bien que la fidélité de la transmission Alice-Bob-Charlie n'ait été que de 71 %, ce qui est supérieur à la limite classique de 2/3, et pour y parvenir, les chercheurs ont dû combiner et optimiser plusieurs expériences difficiles. Les nœuds Dave, Edna et Fred rejoindront-ils le réseau en 2023 ? On verra!
Au cas où les deux premiers points saillants de cette liste n'étaient pas clairs, le bruit est un énorme problème en science quantique. Cela est aussi vrai pour l'informatique que pour la détection et la communication, c'est pourquoi la correction de ces erreurs induites par le bruit est si importante. Les physiciens ont fait plusieurs avances sur ce front en 2022, mais l'un des plus importants est survenu en mai lorsque des chercheurs de l'Université d'Innsbruck, en Autriche, et de l'Université RWTH d'Aix-la-Chapelle en Allemagne ont démontré pour la première fois un ensemble complet d'opérations quantiques tolérantes aux pannes. Leur ordinateur quantique à piège à ions utilise sept qubits physiques pour créer chaque qubit logique, plus des qubits «drapeaux» pour signaler la présence d'erreurs dangereuses dans le système. Surtout, la version corrigée des erreurs du système a mieux fonctionné que la version non corrigée plus simple, illustrant les possibilités de la technique.
La sécurité de l'information est l'USP de la cryptographie quantique, mais l'information n'est jamais aussi sûre que le maillon le plus faible de la chaîne. Dans la distribution quantique de clés (QKD), un maillon faible potentiel est constitué par les appareils utilisés pour envoyer et recevoir les clés, qui sont vulnérables aux piratages conventionnels (comme quelqu'un pénétrant dans un nœud et altérant le système) même si les clés elles-mêmes sont sécurisées contre les quantiques. Une alternative consiste à utiliser QKD indépendant de l'appareil (DIQKD), qui utilise des mesures des inégalités de Bell dans les paires de photons pour confirmer que le processus de génération de clé n'a pas été truqué. En juillet, deux groupes de chercheurs indépendants ont démontré expérimentalement DIQKD pour la première fois - dans un cas en générant 1.5 million de paires de Bell intriquées sur une période de huit heures et en les utilisant pour générer une clé partagée de 95 884 bits de long. Bien que le taux de génération de clés doive être plus élevé pour rendre DIQKD pratique pour les réseaux cryptés du monde réel, la preuve de principe est stupéfiante.
Les autres particules intriquées de cette liste de faits saillants sont toutes identiques : des photons intriqués avec d'autres photons, des ions avec d'autres ions, des atomes avec d'autres atomes. Mais rien dans la théorie quantique n'exige ce type de symétrie, et une nouvelle classe émergente de technologies quantiques «hybrides» repose en fait sur le mélange des choses. Entrez les chercheurs dirigés par Armin Feist de l'Institut Max Planck pour les sciences multidisciplinaires en Allemagne, qui ont montré en août qu'ils pouvaient intriquer un électron et un photon à l'aide d'un microrésonateur optique en forme d'anneau et d'un faisceau d'électrons à haute énergie qui passe l'anneau à une tangente. La technique a des applications pour un processus quantique appelé "annonce" dans lequel la détection d'une particule dans une paire intriquée indique que l'autre particule est disponible pour être utilisée dans un circuit quantique - un excellent exemple de la façon dont les avancées fondamentales d'aujourd'hui entraînent les innovations de demain.
Un sac à main d'étrangeté quantique
Enfin, comme c'est la tradition (nous l'avons fait deux fois, c'est donc une tradition), aucune liste de faits saillants quantiques n'est complète sans un clin d'œil à tout ce qui est étrange et époustouflant dans le domaine. Écoutons donc les chercheurs américains qui ont utilisé un processeur quantique pour simuler la téléportation d'informations à travers un trou de ver dans l'espace-temps; un groupe en Italie et en France qui a mis des chiffres durs sur le indiscernabilité des photons indiscernables; une équipe internationale qui a utilisé des violations quantiques de la causalité classique pour mieux comprendre la nature des causes et des effets; et une paire de physiciens intrépides de l'Université d'Édimbourg, au Royaume-Uni, qui ont montré que les signaux quantiques seraient un bon moyen pour extraterrestres technologiquement avancés pour établir le contact sur des distances interstellaires. Merci de garder le quantum bizarre !
