Physique de la nature aujourd'hui, Lundi, 23 janvier 2017, a publié en ligne les recherches d'une équipe dirigée par des physiciens de l'École de physique de l'Université de Wits. Dans leur article intitulé :Caractérisation des canaux quantiques avec des états non séparables de la lumière classique, les chercheurs démontrent le résultat surprenant que parfois la nature ne peut pas faire la différence entre des types particuliers de faisceaux laser et des photons intriqués quantiques.

En substance, la recherche montre que parfois la Nature ne peut pas faire la différence entre le monde quantique et le monde classique (ou réel), et qu'il existe une zone grise entre les deux mondes appelée intrication classique.

Mondes classique et quantique

Les systèmes de communication actuels sont très rapides, mais pas fondamentalement sûr. Pour les sécuriser, les chercheurs utilisent les lois de la Nature pour l'encodage en exploitant les propriétés bizarres du monde quantique, comme dans le cas de l'utilisation de Quantum Key Distribution (QKD) pour une communication sécurisée.

« Quantique » fait référence au petit, et dans le monde de la photonique, cela signifie un photon - une seule particule de lumière. Les règles du monde quantique sont très différentes de celles du monde classique, et les expériences sont traditionnellement beaucoup plus difficiles en raison de la difficulté à gérer seulement quelques photons.

"Dans le monde classique, notre intuition est vraie. Il n'y a pas de surprises et des expériences peuvent être faites avec de nombreux photons (des milliards et des milliards), comme la lumière laser, " explique le professeur Andrew Forbes, chef d'équipe de la collaboration et professeur émérite à l'École de physique où il dirige le laboratoire de lumière structurée Wits.

"Mais pas dans le monde quantique, où les choses ne sont jamais tout à fait comme elles le paraissent. Ici, les ondes ressemblent parfois à des particules, des particules comme des vagues, et les mesures changent les propriétés de la chose même que vous essayez de mesurer."

Une correction d'erreur quantique en temps réel est possible

Maintenant, les chercheurs ont montré qu'il existe une zone grise où la nature ne peut pas faire la différence entre le classique et le quantique. Cela ouvre la possibilité de réaliser d'abord des expériences quantiques avec un type de lumière classique appelée lumière "classiquement enchevêtrée".

Par exemple, l'établissement d'un lien de communication quantique sécurisé sur de longues distances est très difficile :« les liens quantiques (comme dans les fibres optiques) utilisant des modèles de lumière languissent à de courtes distances précisément parce qu'il n'y a aucun moyen de protéger le lien contre le bruit (interférence de, par exemple, brouillard ou un coude dans un câble) sans détecter les photons. Encore, une fois détectés, leur utilité est détruite, " dit Forbes.

Cette situation de catch 22 a été un obstacle apparemment insurmontable. Maintenant, l'équipe a montré que cela peut être surmonté en utilisant des champs lumineux classiques (de nombreux photons), permettant une correction d'erreur quantique en temps réel.

En préparant et en envoyant un faisceau dit "classiquement intriqué", l'équipe a pu montrer que cela était identique à l'envoi d'un état quantique. Cela signifie que la décroissance de l'intrication quantique observée due au bruit dans le lien peut être inversée, ouvrant la voie à des avancées majeures dans les liaisons quantiques sécurisées en fibre et en espace libre.

"Nous avons montré pour la première fois que la lumière classique peut être utilisée pour analyser un lien quantique, agissant comme un équivalent direct du comportement de l'état quantique, " dit Bienvenu Ndagano, auteur principal et doctorant à l'Université de Wits.

"Pas pareil, ou imitant, mais équivalent. Pour montrer cela, nous avons exploité un type particulier de faisceau laser, appelées poutres vectorielles, qui ont la propriété d'être inséparables et parfois appelés "classiquement enchevêtrés".

Ndagano explique que la propriété par excellence de l'intrication quantique est la non-séparabilité de l'état, ce qui signifie qu'une partie du système ne peut pas être séparée de l'autre. "Mais la non-séparabilité n'est pas unique au monde quantique :vous pouvez la trouver dans les cartes météorologiques où les emplacements sur la carte et les températures à ces emplacements ne peuvent pas être séparés."

Lumière classique enchevêtrée

Plus intriguant, les poutres vectorielles classiques ont aussi cette propriété, que l'équipe appelle la lumière "classiquement enchevêtrée".

dit Forbes, "Ce que nous avons demandé était :cela signifie-t-il que la lumière classique peut être utilisée dans les systèmes quantiques - une zone grise entre les deux mondes que nous appelons l'intrication classique ?".

"La notion d'intrication classique est vivement contestée dans la communauté des physiciens, certains affirmant qu'il ne s'agit que d'une construction mathématique, " dit Thomas Konrad (UKZN), co-auteur sur le papier. "Ce travail montre qu'il y a aussi un sens physique à cela, et nous offrons les premières données côte à côte de l'équivalence de l'intrication classique et quantique".

Précédemment, corriger une erreur dans l'état quantique utilisé pour la communication sécurisée reviendrait à mesurer le photon envoyé, ce qui signifierait à son tour perdre les informations que l'on essayait d'envoyer.

Ce travail permet d'établir et de tester des liaisons quantiques à longue distance avec de la lumière classiquement intriquée :comme les photons ne manquent pas dans la lumière classique, toutes les mesures nécessaires pour corriger les erreurs dans l'état quantique peuvent être effectuées en temps réel sans détruire l'information quantique.

Ainsi, La correction d'erreur en temps réel est possible car vous pouvez effectuer des expériences dans le monde classique qui vous indiqueront comment corriger l'erreur dans le monde quantique.

Transfert de données rapide et sécurisé via un lien réel

L'équipe travaille à emballer autant d'informations dans des photons en utilisant des motifs de lumière comme moyen de coder les informations. Comme il existe un nombre illimité de motifs, la quantité d'informations qui peuvent être envoyées de manière sécurisée est également en principe au moins, illimité.

Alors que tous les modèles sont équivalents en termes de capacité d'information, ce travail suggère que le choix du motif joue également un rôle important dans l'analyse et la correction des erreurs rencontrées lors du passage sur le lien.

"En travaillant dans cette zone grise entre le classique et le quantique, nous pouvons montrer un transfert de données rapide et sécurisé sur des liens du monde réel, " dit Forbes.