(Phys.org)—Pour la première fois, les physiciens ont démontré que les photons hyperintriqués peuvent être transmis dans l'espace libre, ce qu'ils ont montré en envoyant plusieurs milliers de ces photons entre les toits de deux bâtiments à Vienne. L'hyperintrication signifie que les photons sont simultanément intriqués dans au moins deux propriétés différentes - dans cette expérience, les chercheurs ont combiné deux propriétés enchevêtrées en deux dimensions pour obtenir un hyperenchevêtrement en quatre dimensions.

En montrant que la transmission par hyperintrication est réalisable dans le monde réel et pas seulement en laboratoire, les physiciens s'attendent à ce que la démonstration puisse un jour être étendue pour établir un Internet quantique hautement sécurisé qui utilise des satellites pour transmettre rapidement et en toute sécurité des informations quantiques à travers le monde.

Les physiciens, dirigé par Rupert Ursin à l'Institut d'optique quantique et d'information quantique (IQOQI) de l'Académie autrichienne des sciences à Vienne, ont publié un article sur la distribution de l'hyperintrication via des liaisons atmosphériques en espace libre dans un numéro récent de Communication Nature .

Les états hyperintriqués ont plusieurs avantages par rapport aux états avec une seule propriété intriquée, y compris des débits de données plus élevés et des niveaux de sécurité améliorés dans la communication quantique. Jusque là, cependant, les expériences impliquant l'hyperenchevêtrement n'ont été démontrées que dans des environnements de laboratoire protégés sur de courtes distances. La capacité de transmettre des états hyperenchevêtrés via des liaisons optiques en espace libre permettra une transmission sur des distances plus longues que ce qui est possible en utilisant des fibres optiques au sol.

Comme l'expliquent les physiciens, le type le plus simple d'intrication entre photons est l'intrication de polarisation. Lorsqu'il est mesuré, un photon présentera l'un des deux états de polarisation (vertical ou horizontal), produisant un enchevêtrement bidimensionnel dans le degré de liberté de polarisation. Dans le codage de polarisation bidimensionnel, chaque photon est limité à coder au plus un qubit.

Mais il existe d'autres façons d'entremêler les photons, et ces méthodes peuvent être combinées avec l'intrication de polarisation pour obtenir des photons hyperintriqués, qui ont le potentiel de stocker plusieurs qubits.

Dans le nouveau travail, les physiciens ont combiné l'intrication de polarisation avec un deuxième type d'intrication appelé intrication énergie-temps, qui fait intervenir le temps d'émission de la paire de photons et peut prendre plusieurs valeurs possibles, résultant en de nombreuses dimensions supérieures. Dans cette expérience, pour des raisons techniques, les physiciens n'ont utilisé que deux temps d'émission particuliers, "en avance" et "en retard, " correspondant à deux degrés de liberté. Lorsqu'ils sont combinés, les deux types d'intrication ont permis aux chercheurs de créer des états hyperintriqués à quatre dimensions.

"Nous avons codé des qubits dans deux propriétés du photon simultanément, " Le co-auteur Fabian Steinlechner de l'Académie autrichienne des sciences a déclaré Phys.org . "Nous avons codé un qubit dans le degré de liberté de polarisation bien étudié, et un autre dans le degré de liberté temps-énergie, qui n'avait pas encore été montré pour résister à la transmission via une liaison turbulente en espace libre. De cette façon, nous avons doublé la quantité d'intrication par photon par rapport aux expériences précédentes sur des liaisons optiques réelles. L'augmentation de la dimensionnalité de l'intrication et la transmission de l'intrication de grande dimension dans des conditions de liaison atmosphérique réelles sont une étape importante vers des systèmes de communication quantique plus efficaces et plus pratiques. »

La source de photons hyperintriqués, qui génère des paires de photons hyperintriqués, était situé dans un laboratoire de l'IQOQI à Vienne. Pour démontrer la distribution d'hyperintrication, les chercheurs ont stocké un photon de chaque paire hyperenchevêtrée au laboratoire et ont envoyé l'autre photon de chaque paire à travers une fibre optique vers un télescope émetteur sur le toit du bâtiment. Le télescope a ensuite transmis ce photon dans l'espace libre à un récepteur sur le toit d'un autre bâtiment situé à 1,2 km, qui a collecté les photons et vérifié leur hyperintrication.

Bien que la turbulence atmosphérique ait fait varier l'efficacité de transmission des photons hyperintriqués, et environ la moitié des photons distribués ont été perdus en raison de l'absorption par les composants optiques, les chercheurs en ont encore détecté avec succès environ 20, 000 paires de photons par seconde. Les résultats démontrent, pour la première fois, la faisabilité d'utiliser l'hyperintrication énergie-temps/polarisation dans des conditions réelles. Les chercheurs sont maintenant impatients de développer des applications qui exploitent les avantages de l'hyperintrication.

"Hyperenchevêtrement, intrication simultanée dans plusieurs degrés de liberté, peut être utilisé pour coder plusieurs qubits intriqués par photon, " a déclaré le co-auteur Sebastian Ecker de l'Académie autrichienne des sciences. " Nous appelons cela un enchevêtrement de grande dimension. L'augmentation de la dimensionnalité de l'intrication promet des débits de données plus élevés et des niveaux de sécurité améliorés en cryptographie quantique, étant donné que les tentatives de copie d'états quantiques de grande dimension entraînent des erreurs plus importantes par rapport au codage bidimensionnel, facilitant ainsi la détection d'un indiscret. Par ailleurs, certaines transformations sont plus faciles à accomplir lorsque les états quantiques sont codés en plusieurs degrés de liberté, qui peut faire des protocoles de traitement de l'information quantique, comme la téléportation quantique et le codage dense, plus facile à mettre en œuvre dans la pratique."

À l'avenir, les physiciens espèrent augmenter la dimensionnalité bien au-delà de quatre dimensions, pousser la quantité d'informations quantiques qui peuvent être transmises par un seul photon à ses limites ultimes. Cela pourrait augmenter considérablement les débits de données dans les futures expériences satellitaires.

« Dans notre expérience, nous avons utilisé deux dimensions de l'espace temps-énergie, " a déclaré Steinlechner. " Cependant, contrairement à la polarisation, l'intrication temps-énergie n'est pas fondamentalement limitée à deux états possibles et sa dimensionnalité potentielle est d'ordres de grandeurs plus grand. »

Si l'hyperintrication peut être transmise plus haut dans l'espace, cela ouvrirait également des possibilités pour de nouveaux types d'expériences de physique fondamentale. Ceux-ci pourraient inclure l'étude de l'effondrement induit par la gravité de la fonction d'onde et le traitement de l'information quantique dans des conditions relativistes.

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