La téléportation ne relève plus de la science-fiction (du moins au niveau quantique)

Il y a soixante ans, Star Trek a présenté ce qui allait devenir l'une des technologies de science-fiction les plus emblématiques : le téléporteur, une machine capable de téléporter une personne d'un endroit à un autre en quelques secondes. Née de la nécessité pour la série de réduire les coûts liés à la mise en scène des atterrissages du vaisseau, la technologie permettant de se téléporter vers et depuis le vaisseau spatial Enterprise est devenue une marque de fabrique de la série. 

Le téléporteur de Star Trek transforme la matière en un flux d'énergie qui est envoyé vers une destination où la matière originale est reconstruite, atome par atome. Si la série n'était pas la première œuvre de fiction à dépeindre la téléportation, le téléporteur a enflammé l'imagination du public comme aucun autre auparavant, donnant naissance à des références culturelsle durables et à d'innombrables technologies qui en sont inspirées. 

Puis la téléportation est devenue une réalité. 

Il y a plus de trente ans, un groupe de physiciens cherchait un nom pour une idée radicalement nouvelle qu'ils avaient eue : comment transférer des atomes et des particules élémentaires à d'autres particules éloignées sans jamais interagir physiquement avec elles. Un état quantique est un concept mathématique qui représente des informations sur un atome ou une particule élémentaire ; par exemple, le niveau d'énergie d'un électron ou la polarisation d'un photon. 

Inspirés par la science-fiction, ils sont tombés d'accord sur « téléportation quantique ». Depuis lors, l'idée est passée du stade de concept théorique à celui d'une réalité vérifiée expérimentalement. À la fin des années 1990, les premières expériences ont montré que les états quantiques pouvaient être transmis sur de courtes distances, même si des études ultérieures ont prouvé que cela fonctionnait sur des distances de plus en plus longues, y compris entre la Terre et l’orbite basse, comme l'ont démontré des scientifiques chinois en 2017. 

La téléportation quantique est bien différente de la téléportation de la matière que l'on voit dans la fiction. Et bien que les experts affirment que cela ne débouchera pas sur une téléportation à la Star Trek, cela pourrait contribuer à ouvrir une nouvelle ère de l'informatique qui révolutionnera notre compréhension du monde subatomique et, par extension, de la nature de notre univers et de tout ce qu'il contient. 

« Fondamentalement, la nature est quantique » affirme Jason Orcutt, chercheur principal chez IBM Quantum. « Nous sommes tous de l'information quantique ».

LA TÉLÉPORTATION QUANTIQUE POURRAIT AIDER À RÉSOUDRE DES PROBLÈMES COMPLEXES

Au quotidien, les objets semblent obéir à un ensemble de règles familières que l'on appelle la physique classique. Mais dès que l'on descend à l'échelle des atomes et des particules élémentaires, un tout nouvel ensemble de règles prend le relai. C'est le domaine de la physique quantique où les particules peuvent exister sous plusieurs états à la fois jusqu'à ce qu'ells soient mesurés, et les objets peuvent se lier entre eux sur de très grandes distances.

De nombreux aspects du monde quantique défient l'intuition et échappent à la description des ordinateurs classiques. Tandis que ces ordinateurs classiques stockent et traitent des « bits » de données codés sous forme de 0 ou de 1, l'état d'un système quantique ne se résume pas toujours à une simple binarité. Il est donc nécessaire de recourir à une façon différente de coder les données et c'est là qu'interviennent l’information quantique, qui est encodée dans des qubits. 

Alors que les bits ne représentent jamais qu'un 0 ou un 1, les qubits peuvent se trouver dans un état quantique où le 0 et le 1 sont combinés jusqu'à ce qu'ils soient mesurés, un phénomène connu sous le nom de superposition. Les qubits peuvent aussi se retrouver intriqués avec d'autres qubits, de sorte que la mesure d'un qubit influence instantanément la mesure d'un autre. Il en résulte une forme complexe d'informations qui est à la base de la puissance de l'informatique quantique. 

« Il existe des problèmes très complexes, d'une complexité comparable à celle de l'âge de l'Univers, que nous ne pourrons pas résoudre grâce à l'informatique classique » explique Jason Orcutt. Mais les ordinateurs quantiques pourraient un jour être capables de simuler le monde moléculaire, y compris des réactions chimiques complexes, avec une précision remarquable. Cela pourrait nous permettre de concevoir de meilleurs processus industriels, par exemple des moyens plus efficaces du point de vue énergétique de produire de l'azote synthétique destiné à l'agriculture, ou de nouveaux matériaux révolutionnaires. 

Il existe déjà des ordinateurs quantiques commerciaux mais leurs capacités sont limitées. Une partie du travail visant à en construire de plus grands et de plus performants, en particulier des ordinateurs à grande échelle capables de corriger les erreurs et d'effectuer de très longs calculs de manière fiable, consiste à mettre au point des moyens efficaces de transférer l'information quantique. Mais un problème se pose : lorsque vous mesurez un état quantique, « vous le modifiez » explique Simone Portalupi, chercheuse en communication quantique et membre de QR.N, un programme visant à étendre la portée des communications quantiques. « Alors vous ne pouvez pas véritablement cloner l'information quantique. »

Il est nécessaire de trouver de nouveaux moyens de partager l'information et c'est là que la téléportation quantique entre en jeu. En tant que protocole permettant de transférer des états quantiques d'un endroit à un autre sans déplacer de matière, la téléportation pourrait devenir un moyen standard de communiquer des informations quantiques, nous permettant de lier des ordinateurs éloignés et, un jour, de construire un Internet quantique.  

COMMENT FONCTIONNE LA TÉLÉPORTATION QUANTIQUE ?

L'intrication est un phénomène naturel mais elle peut également être créée artificiellement. Et une fois que deux systèmes quantiques sont intriqués, leur état dépend l'un de l'autre quelle que soit la distance qui les sépare. C'est la raison pour laquelle l'intrication peut être utilisée pour transmettre les informations. 

L'exemple classique illustrant ce phénomène fait intervenir deux chercheurs, Alice et Bob, qui partagent une paire de particules intriquées. Dans ce scénario, Alice veut envoyer de nouvelles informations à Bob. Elle prépare un qubit de données contenant ces informations, puis mesure simultanément ce qubit de données et sa moitié de la paire de particules intriquées. Connue sous le nom de mesure des états de Bell, cette opération place le qubit de données dans un état d'intrication avec les deux autres tout en révélant lequel des quatre états est partagé par les deux qubits détenus par Alice. En même temps, elle détruit le qubit de données d'origine pour une raison sur laquelle nous reviendrons dans un instant. 

La mesure effectuée par Alice permet d'extraire les informations contenues dans le qubit de données détruit, ainsi que dans sa moitié de la paire intriquée, sous la forme d'informations classiques : des 0 et des 1. Elle envoie ensuite ces résultats à Bob via un moyen de communication classique. 

Cette étape de communication classique est essentielle, affirme Daniel Oblak, chercheur en information quantique à l'Université de Calgary (UCalgary), qui la compare à l'ouverture d'une boîte de boules à neige de façon à ce qu'elles soient dans le bon sens. « Pour qu'il s'agisse vraiment d'une boule à neige, il faut la tourner pour qu'elle soit à l'endroit » indique-t-il. 

La mesure d'Alice indique à Bob quelle opération quantique il doit appliquer à sa moitié de la paire intriquée, ce qui lui permet essentiellement « d'ouvrir la boîte » contenant sa moitié de la paire intriquée. Résultat ? Le qubit de Bob est à présent dans le même état que le qubit de données d'origine d'Alice. Les informations ont été transférées. 

La procédure de téléportation des états quantiques a été exposée pour la première fois dans un article publié en 1993, suivi d'une série de démonstrations expérimentales. Dans les années 2010, des scientifiques avaient compris comment téléporter différents types d'états quantiques, y compris ceux de circuits supraconducteurs. Ils ont également montré que les états quantiques pouvaient être téléportés d'une ville à l'autre, et de la Terre à l'espace et vice-versa. 

Selon Jason Orcutt, aujourd'hui, le domaine évolue « au-delà de la science pour aller vers l'ingénierie » nécessaire pour connecter des ordinateurs quantiques et les mettre à l'échelle. 

CETTE TECHNOLOGIE POURRA-T-ELLE UN JOUR PERMETTRE DE TÉLÉPORTER UNE PERSONNE ?

Si la téléportation quantique pourrait s'avérer essentielle pour les futurs ordinateurs quantiques, les experts estiment qu'il est peu probable qu'elle débouche sur un appareil qui permettrait de téléporter des personnes depuis et vers un vaisseau spatial. 

« Il est difficile de comparer avec Star Trek » explique Tim Strobel, doctorant spécialisé en communications quantiques et membre du programme QR.N. « Pour nous, il s'agit de [téléporter] des états quantiques, pas de la matière ou de l'énergie. »

Daniel Oblak admet que si l'on voulait téléporter une personne d'un endroit à un autre, il faudrait que l'on transfère les informations quantiques des atomes et particules qui la composent. On aurait également besoin d'« un amas d'atomes prêts à former un être humain dans un autre endroit [et] que l'état quantique soit transféré individuellement dans chacun de ces milliards d'atomes » explique-t-il. « Il est vraiment difficile d'imaginer que cela soit un jour possible. »

Il existe aussi ce débat philosophique de longue date sur la téléportation : la personne qui se matérialise comme par magie, est-elle réellement la même personne ou s'agit-il d'une copie ? 

Selon la mécanique quantique, le théorème de non-clonage énonce qu'il est impossible de copier un état quantique inconnu. La téléportation contourne cette impossibilité en mesurant et en détruisant l'état quantique original avant qu'il ne soit téléporté. Ainsi, au niveau quantique, l'état téléporté est sans doute le « même », plutôt qu'une copie. 

S'il s'avère que ce qui fait de vous la personne que vous êtes, vos souvenirs, votre personnalité et même votre perception de vous-même, se résume à de l'information quantique, alors vous pourriez peut-être vous téléporter dans un nouvel endroit. En revanche, si ce n'est pas le cas, vous risquez simplement de vous tuer pour que votre clone puisse vivre ailleurs. 

« Tout cela repose entièrement sur des conjectures » insiste Jason Orcutt. « Pour l'instant, la question de savoir s'il est possible de téléporter un être humain, sans parler d'un atome, relève uniquement du domaine de la science-fiction, tout comme la réponse à cette question. »