Alors qu’il avait été confirmé l’année passée que l’information pouvait être transmise entre des photons d’une puce informatique n’étant pas physiquement liés, les chercheurs explorent aujourd’hui de nouvelles façons de créer des interactions quantiques entre des électrons éloignés.
Une démonstration de l’intrication quantique d’Einstein
Dans le monde quantique, la téléportation implique le transport de l’information, plutôt que le transport de la matière comme dans la science-fiction. Présentés dans la revue Nature Communications, ces travaux explorant les moyens de créer des interactions entre des électrons éloignés constituent une étape importante dans l’amélioration de l’informatique quantique qui, à son tour, a le potentiel de révolutionner la technologie, la médecine et la science, en fournissant des processeurs et des capteurs plus rapides et plus efficaces.
Ce phénomène de téléportation quantique est une démonstration de ce qu’Albert Einstein a appelé « l’action effrayante à distance », également connue sous le nom d’intrication quantique. Dans l’intrication, qui constitue l’un des concepts de base de la physique quantique, les propriétés d’une particule affectent les propriétés d’une autre, même lorsque celles-ci sont séparées par une grande distance.
La téléportation quantique implique quant à elle deux particules distantes et enchevêtrées, dans lesquelles l’état d’une troisième particule « téléporte » instantanément son état vers les deux particules enchevêtrées.
Cette dernière représente par conséquent un moyen important de transmission d’information pour l’informatique quantique : alors qu’un ordinateur classique est constitué de milliards de transistors, appelés bits, les ordinateurs quantiques encodent les informations en bits quantiques ou qubits.
« Les électrons individuels constituent des qubits prometteurs »
À la différence d’un bit standard, ayant une seule valeur binaire (0 ou 1), les qubits peuvent simultanément prendre les valeurs 0 et 1. Et c’est précisément dans cette capacité à occuper simultanément plusieurs états que réside l’immense potentiel des machines quantiques en termes de puissance de calcul.
Si les scientifiques ont précédemment démontré la téléportation quantique en utilisant des photons électromagnétiques pour créer des paires de qubits enchevêtrés à distance, les qubits fabriqués à partir d’électrons individuels se révèlent également très prometteurs pour la transmission d’informations dans les semi-conducteurs.
« Les électrons individuels sont des qubits prometteurs car ils interagissent très facilement entre eux, et les qubits d’électrons individuels dans les semi-conducteurs sont également évolutifs », explique John Nichol, professeur assistant de physique à l’université de Rochester et auteur principal de l’étude. « Créer de manière fiable des interactions à longue distance entre les électrons est essentiel pour l’informatique quantique. »
La création de paires de qubits d’électrons entremêlés sur de longues distances, nécessaire à la téléportation, a cependant représenté un véritable défi pour les chercheurs : alors que les photons se propagent naturellement sur de longues distances, les électrons sont généralement confinés à un seul endroit.
Créer un enchevêtrement entre deux électrons sans que les particules n’interagissent jamais
Afin de démontrer la téléportation quantique à l’aide d’électrons, ceux-ci ont exploité une technique récemment mise au point, basée sur les principes du couplage d’échange de Heisenberg. Un électron individuel est semblable à un aimant de forme rectangulaire avec un pôle nord et un pôle sud qui peuvent pointer soit vers le haut soit vers le bas. La direction du pôle étant connue sous le nom de moment magnétique de l’électron ou d’état de spin quantique.
Si certains types de particules possèdent le même moment magnétique, elles ne peuvent pas se trouver au même endroit au même moment. Autrement dit, deux électrons dans le même état quantique ne peuvent pas se superposer. Si tel était le cas, leurs états fluctueraient dans le temps. Les chercheurs ont donc utilisé cette technique pour répartir les paires d’électrons enchevêtrées et téléporter leurs états de spin.
« Nous fournissons des preuves de ‘l’échange d’intrication’, qui consiste à créer un enchevêtrement entre deux électrons sans que les particules n’interagissent jamais, et de la ‘téléportation par porte quantique’ », explique Nichol. « Nos travaux montrent que cela peut se faire même sans photons. »
Ces résultats ouvrent la voie à de futures recherches sur la téléportation quantique impliquant les états de spin de toute la matière, et pas seulement les photons, et fournissent davantage de preuves des capacités étonnamment utiles des électrons individuels dans les semi-conducteurs qubits.
