Circuits quantiques intriqués

C'est une nouvelle confirmation de la mécanique quantique : Un groupe de chercheurs dirigé par Andreas Wallraff, professeur de physique des solides à l'ETH, a pu réfuter le concept de "causalité locale", formulé par Albert Einstein en réponse à la mécanique quantique, gr?ce à un test dit de Bell sans faille. Ils ont ainsi pu démontrer que des objets éloignés de la mécanique quantique peuvent être beaucoup plus fortement corrélés entre eux que cela n'est possible avec des systèmes classiques. La particularité : les chercheurs zurichois ont réussi cette expérience pour la première fois avec des circuits supraconducteurs. Ceux-ci sont considérés comme de bons candidats pour la construction d'ordinateurs quantiques performants.

Une vieille dispute

Un test de Bell repose sur un dispositif expérimental imaginé par le physicien britannique John Bell dans les années 1960, d'abord comme une expérience de pensée. Bell voulait ainsi clarifier une question sur laquelle les grands noms de la physique de l'époque se disputaient déjà dans les années 1930 : Les prédictions de la mécanique quantique, qui vont totalement à l'encontre de l'intuition quotidienne, sont-elles exactes ou les notions classiques de causalité, dont Albert Einstein était convaincu, sont-elles également valables dans le microcosme atomique ?

Pour répondre à cette question, Bell a proposé d'effectuer simultanément une mesure aléatoire sur deux particules intriquées et de la vérifier à l'aide de l'inégalité de Bell. Si le concept de causalité locale d'Einstein est vrai, l'inégalité de Bell est toujours vérifiée lors de ces expériences. En revanche, la mécanique quantique prédit que l'inégalité sera violée.

Les derniers doutes sont levés

Au début des années 1970, John Francis Clauser, qui a re?u le prix Nobel de physique l'année dernière, et Stuart Freedman ont réalisé pour la première fois concrètement un test de Bell. Dans leurs expériences, ils ont pu démontrer que l'inégalité de Bell était effectivement violée. Cependant, Clauser et Freedman ont d? faire certaines hypothèses dans leurs expériences pour pouvoir les réaliser. En théorie, il aurait donc toujours été possible qu'Einstein ait eu raison de se montrer sceptique vis-à-vis de la mécanique quantique.

Au fil du temps, de plus en plus de ces soi-disant failles ont pu être comblées, jusqu'à ce que finalement, en 2015, différents groupes parviennent à réaliser les premiers tests de Bell vraiment sans faille et à résoudre ainsi définitivement la vieille question controversée.

Applications prometteuses

Le groupe de Wallraff peut désormais confirmer ces résultats gr?ce à une expérience inédite. Le travail publié par les chercheurs de l'ETH dans la prestigieuse revue scientifique "Nature" montre que, malgré une première confirmation il y a sept ans, le sujet n'est pas encore clos. Il y a plusieurs raisons à cela : D'une part, l'expérience des chercheurs de l'ETH confirme que les circuits supraconducteurs fonctionnent également selon les lois de la mécanique quantique, bien qu'ils aient une taille considérable par rapport aux objets quantiques microscopiques comme les photons ou les ions. Les circuits électroniques de plusieurs centaines de micromètres, constitués de matériaux supraconducteurs et fonctionnant à des fréquences micro-ondes, sont également appelés objets quantiques macroscopiques.

D'autre part, les tests de Bell ont également une signification pratique. "Avec des tests de Bell modifiés, on peut par exemple démontrer en cryptographie que des informations sont effectivement transmises sous forme cryptée", explique Simon Storz, doctorant dans le groupe de Wallraff. "Avec notre approche, nous pouvons démontrer que l'inégalité de Bell est violée de manière beaucoup plus efficace qu'avec d'autres dispositifs expérimentaux. Cela rend notre approche particulièrement intéressante pour les applications pratiques".

La recherche du compromis

Les chercheurs ont toutefois besoin pour cela d'une installation expérimentale complexe. Pour que le test de Bell soit effectivement sans faille, les chercheurs doivent en effet s'assurer qu'aucune information ne puisse être échangée entre les deux circuits intriqués avant la fin des mesures quantiques. Comme les informations peuvent être transmises tout au plus à la vitesse de la lumière, la mesure doit donc prendre moins de temps qu'il n'en faut à une particule de lumière pour passer d'un circuit à l'autre.

Lors de la mise en place de l'expérience, il s'agit donc de trouver un compromis : Plus la distance entre les deux circuits supraconducteurs est grande, plus le temps disponible pour la mesure est important - et plus le dispositif expérimental est complexe. En effet, toute l'expérience doit être réalisée dans le vide, près du zéro absolu.

La distance la plus courte pour réussir leur test de Bell sans faille, ont déterminé les chercheurs de l'ETH, est d'environ 33 mètres : Dans le vide, il faut environ 110 nanosecondes à une particule de lumière pour franchir cette distance. C'est quelques nanosecondes de plus que ce dont les chercheurs ont eu besoin pour réaliser l'expérience.

30 mètres de vide

L'équipe de Wallraff a mis en place une installation impressionnante dans l'un des couloirs souterrains du campus de l'ETH. A chaque extrémité se trouve un cryostat dans lequel se trouve un circuit supraconducteur. Les deux appareils de refroidissement sont reliés par un tube de 30 mètres de long, dont l'intérieur a été refroidi à une température juste au-dessus du zéro absolu (-273,15 degrés Celsius).

Avant le début de chaque mesure, un photon micro-ondes est transmis de l'un des deux circuits supraconducteurs à l'autre, de sorte que les deux circuits sont dorénavant entrelacés. Des générateurs aléatoires décident alors quelles mesures seront effectuées sur les deux circuits dans le cadre du test de Bell. L'étape suivante consiste à comparer les résultats des mesures des deux c?tés.

Enchevêtrement à grande échelle

L'évaluation de plus d'un million de mesures montre que l'inégalité de Bell est violée avec une très grande certitude statistique dans ce dispositif expérimental. Les chercheurs ont donc pu confirmer que la mécanique quantique autorise également des corrélations dites non locales pour les circuits électriques macroscopiques. Les circuits supraconducteurs peuvent donc également s'enchevêtrer sur une grande distance. Cela ouvre des possibilités d'application intéressantes dans le domaine de l'informatique quantique distribuée et de la cryptographie quantique.

La construction et le test de l'installation, reconna?t Wallraff, ont été un défi. "Nous avons pu financer le projet sur six ans gr?ce aux fonds d'un ERC Advanced Grant", explique-t-il. Rien que l'effort nécessaire pour refroidir l'ensemble du dispositif expérimental à une température proche du zéro absolu est considérable. "Notre machine contient 1,3 tonne de cuivre et 14'000 vis", explique Wallraff. "Il n'y a pas seulement beaucoup de connaissances physiques là-dedans, mais aussi beaucoup de savoir-faire des ingénieurs". En principe, on pourrait construire de la même manière des installations qui parcourent des distances encore plus grandes, Wallraff en est convaincu. Ce serait par exemple intéressant pour relier entre eux des ordinateurs quantiques supraconducteurs très éloignés les uns des autres.