Des physiciens du NIST (National Institute of Standards and Technology) viennent de franchir une étape importante pour faire de l'intrication quantique un outil pratique et utilisable. Ils ont élaboré une méthode destinée à affiner des atomes intriqués (un processus appelé purification) afin de les rendre plus facilement utilisables par de futurs ordinateurs et systèmes de transmissions quantiques. Ces technologies émergentes exploitent les lois peu communes de la physique quantique pour ouvrir la voie à des applications telles que la "téléportation" quantique ou le cryptage inviolable de données.
L'intrication est une propriété surprenante de la physique quantique corrélant l'état et le comportement de deux particules ou plus, telles que des atomes ou des photons. L'intrication peut se produire spontanément par interaction entre deux atomes. Pour l'interaction initiale, les atomes doivent se trouver à proximité l'un de l'autre, mais l'intrication peut persister même s'ils sont ensuite physiquement séparés. Cependant, la qualité de l'intrication peut se dégrader à cause de nombreux facteurs environnementaux, tels que des fluctuations de champs magnétiques ; aussi le traitement et le transport de particules intriquées doivent être fortement contrôlés dans des applications technologiques. Le processus de purification mis en application au NIST permet de nettoyer ou de supprimer ces distorsions ou ce "bruit", indépendamment de la source, en agissant sur des paires "bruitées" pour obtenir une paire intriquée d'une plus grande pureté.
Le processus du NIST pour "purifier" l'intrication consiste
à illuminer deux paires d'ions béryllium à l'aide d'impulsions de laser ultraviolet Les travaux du NIST, publiés dans l'édition du 19 octobre 2006 de
Nature, sont les premiers dans lesquels des atomes sont intriqués puis ultérieurement purifiés. Ce processus avait été élaboré auparavant uniquement sur des photons (particules de lumière) intriqués. La démonstration du NIST est également la première lors de laquelle les scientifiques ont réussi à purifier des particules de façon non destructive. Une mesure directe détruirait l'état intriqué des atomes ; la nouvelle expérience vient à bout de ce problème en intriquant deux paires d'atomes et n'effectuant de mesure que sur une seule d'entre elles.
“Nous avons expérimenté la purification de l'intrication avec un taux relativement élevé de réussite dans un système de piège à ion qui pourrait être mis à l'échelle d'ordinateurs quantiques de taille raisonnable”, déclare Dietrich Leibfried, un des auteurs de l'article et concepteur de l'expérience. “C'est un processus plus compliqué que tout ce que nous avions expérimenté auparavant, mais il sera utilisable dans de nombreux contextes une fois que nous aurons amélioré nos procédures de purification”.
L'équipe de NIST a utilisé des lasers ultraviolets pour intriquer deux paires d'ions de béryllium à l'intérieur d'un piège électromagnétique. Le même procédé a été employé pour intriquer les paires déjà intriquées, c'est-à-dire pour intriquer chaque membre de la première paire avec sa contrepartie dans la seconde. Puis une mesure a été effectuée sur la première paire d'ions, et les résultats ont été utilisés pour vérifier que la deuxième paire (non mesurée donc, et donc avec son état quantique intact) avait été intriquée avec une plus grande pureté. Des essais supplémentaires ont été réalisés pour vérifier que la qualité de l'intrication s'était effectivement améliorée.
Le taux de purification est un record (bien que l'état intriqué ne soit pas encore suffisamment pur pour être utilisé dans un ordinateur quantique ou dans tout autre dispositif) avec plus d'une réussite pour trois tentatives, à comparer au taux de un sur un million dans les expériences avec des photons. Théoriquement, le procédé du NIST pourrait être amélioré puis répété autant de fois qu'il serait nécessaire pour produire un flux de paires intriquées proches de la perfection dans un ordinateur ou sur un réseau. L'équipe du NIST poursuit désormais ses recherches pour améliorer considérablement ces opérations de purification, par exemple en améliorant le contrôle des champs magnétiques et de l'intensité des lasers.