Communication quantique - où l'information est envoyée à travers des particules, photons généralement intriqués - a le potentiel de devenir le canal de communication sécurisé ultime. Non seulement il est presque impossible d'écouter la communication quantique, ceux qui essaieront laisseront aussi des traces de leurs indiscrétions.

Cependant, envoyer des informations quantiques via des photons sur les canaux traditionnels, comme les lignes à fibres optiques, est difficile :les photons porteurs de l'information sont souvent corrompus ou perdus, rendre les signaux faibles ou incohérents. Souvent, un message doit être envoyé plusieurs fois pour s'assurer qu'il est bien passé.

Dans un nouveau journal, des scientifiques de la Pritzker School of Molecular Engineering (PME) de l'Université de Chicago ont démontré une nouvelle technique de communication quantique qui contourne complètement ces canaux. En reliant deux nœuds de communication avec un canal, ils montrent que cette nouvelle technique peut envoyer des informations de manière quantique entre les nœuds, sans jamais occuper le canal de liaison.

La recherche, dirigé par le professeur Andrew Cleland et publié le 17 juin dans la revue Lettres d'examen physique , tire parti du phénomène quantique effrayant d'intrication entre les deux nœuds et montre une nouvelle direction potentielle pour l'avenir de la communication quantique.

La recherche rejoint un deuxième article récemment publié, où le groupe de Cleland a enchevêtré deux phonons - les particules quantiques du son - pour la première fois, ouvrant la porte à de nouvelles technologies potentielles.

"Les deux articles représentent une nouvelle façon d'aborder la technologie quantique, " dit Cleland, le professeur John A. MacLean Sr. de génie moléculaire au Pritzker Molecular Engineering et un scientifique principal au Laboratoire national d'Argonne. "Nous sommes enthousiasmés par ce que ces résultats pourraient signifier pour l'avenir de la communication quantique et des systèmes quantiques à semi-conducteurs."

Communication quantique fantomatique

Les photons et phonons intriqués défient l'intuition :ces particules peuvent être intriquées par la mécanique quantique, un enchevêtrement qui peut survivre sur de grandes distances. Un changement dans une particule provoque alors un changement effrayant dans l'autre. La communication quantique tire parti de ce phénomène en encodant l'information dans les particules.

Cleland voulait trouver une méthode pour envoyer des informations quantiques sans les perdre dans la transmission. Lui et son équipe, dont l'étudiant diplômé en PME Hung-Shen Chang, a développé un système qui a enchevêtré deux nœuds de communication à l'aide de photons micro-ondes - les mêmes photons utilisés dans votre téléphone portable - via un câble micro-ondes. Pour cette expérience, ils ont utilisé un câble à micro-ondes d'environ un mètre de long. En allumant et éteignant le système de manière contrôlée, ils ont réussi à enchevêtrer quantiquement les deux nœuds et à envoyer des informations entre eux, sans jamais avoir à envoyer de photons à travers le câble.

"Nous avons transféré des informations sur un câble d'un mètre sans envoyer de photons pour ce faire, une réalisation assez effrayante et inhabituelle, " dit Cleland. " En principe, cela fonctionnerait également sur une distance beaucoup plus longue. Ce serait beaucoup plus rapide et plus efficace que les systèmes qui envoient des photons via des canaux à fibre optique."

Bien que le système ait des limites, il doit être maintenu très froid, à des températures de quelques degrés au-dessus du zéro absolu, il pourrait potentiellement fonctionner à température ambiante avec des atomes au lieu de photons. Mais le système de Cleland offre plus de contrôle, et lui et son équipe mènent des expériences qui enchevêtreraient plusieurs photons dans un état plus compliqué.

Enchevêtrement de phonons avec la même technique

Les particules intriquées ne se limitent pas aux photons ou aux atomes, toutefois. Dans un deuxième article publié le 12 juin dans la revue Examen physique X , Cleland et son équipe ont enchevêtré deux phonons - la particule quantique du son - pour la première fois.

En utilisant un système conçu pour communiquer avec les phonons, similaire au système de communication quantique photonique, l'équipe, dont l'ancienne postdoctorante Audrey Bienfait, enchevêtré deux phonons micro-ondes (qui ont environ un million de fois plus de hauteur que ce qui peut être entendu avec l'oreille humaine).

Une fois les phonons enchevêtrés, l'équipe a utilisé l'un des phonons comme « héraut, " qui a été utilisé pour affecter la façon dont leur système quantique utilisait l'autre phonon. Le héraut a permis à l'équipe d'effectuer une expérience dite de " gomme quantique ", dans laquelle des informations sont effacées d'une mesure, même une fois la mesure terminée.

Bien que les phonons présentent de nombreux inconvénients par rapport aux photons, par exemple, ils ont tendance à avoir une durée de vie plus courte - ils interagissent fortement avec un certain nombre de systèmes quantiques à l'état solide qui peuvent ne pas interagir fortement avec les photons. Les phonons pourraient fournir un meilleur moyen de se coupler à ces systèmes

"Cela ouvre une nouvelle fenêtre sur ce que vous pouvez faire avec les systèmes quantiques, peut-être similaire à la façon dont les détecteurs d'ondes gravitationnelles, qui utilisent également le mouvement mécanique, ont ouvert un nouveau télescope sur l'univers, " dit Cleland.