Circuits quantiques enchevêtrés

Un groupe de scientifiques dirigé par Andreas Wallraff, professeur de physique des solides à l'ETH Zurich, a réalisé un test de Bell sans faille pour réfuter le concept de «causalité locale» formulé par Albert Einstein en réponse à la mécanique quantique. En montrant que des objets mécaniques quantiques très éloignés les uns des autres peuvent être beaucoup plus fortement corrélés entre eux que dans les systèmes conventionnels, les scientifiques ont apporté une nouvelle confirmation à la mécanique quantique. La particularité de cette expérience est que les scientifiques ont pu la réaliser pour la première fois en utilisant des circuits supraconducteurs, qui sont considérés comme des candidats prometteurs pour la construction de puissants ordinateurs quantiques.

Un vieux litige

Un test de Bell est basé sur un dispositif expérimental qui a été initialement conçu comme une expérience de pensée par John Bell dans les années 1960. Le physicien britannique souhaitait résoudre une question sur laquelle les grands noms de la physique avaient déjà débattu dans les années 1930 : les prédictions de la mécanique quantique, qui vont totalement à l'encontre de l'intuition quotidienne, sont-elles correctes ou les concepts conventionnels de causalité s'appliquent-ils également au microcosme atomique, comme le pensait Albert Einstein ?

Pour répondre à cette question, John Bell a proposé d'effectuer une mesure aléatoire sur deux particules intriquées en même temps et de la comparer à l'inégalité de Bell. Si le concept de causalité locale d'Einstein est vrai, ces expériences satisferont toujours l'inégalité de Bell. En revanche, la mécanique quantique prédit qu'elles la violeront.

Les derniers doutes dissipés

Au début des années 1970, John Francis Clauser, qui a reçu le prix Nobel de physique l'année dernière, et Stuart Freedman ont réalisé un premier test pratique de Bell. Dans leurs expériences, les deux chercheurs ont pu prouver que l'inégalité de Bell est effectivement violée. Mais ils ont dû formuler certaines hypothèses dans leurs expériences pour pouvoir les mener à bien. Théoriquement, Albert Einstein aurait donc eu raison d'être sceptique à l'égard de la mécanique quantique.

Au fil du temps, toutefois, de plus en plus de ces lacunes ont pu être comblées. Enfin, en 2015, plusieurs groupes sont parvenus à réaliser les premiers tests de Bell véritablement exempts de failles, réglant ainsi définitivement le vieux différend.

Des applications prometteuses

Le groupe d'Andreas Wallraff peut maintenant confirmer ces résultats par une nouvelle expérience. Le travail des scientifiques de l'ETH Zurich publié dans la célèbre revue scientifique Nature montre que la recherche sur ce sujet n'est pas terminée, malgré la première confirmation il y a sept ans. Il y a plusieurs raisons à cela. D'une part, l'expérience des scientifiques de l'ETH Zurich confirme que les circuits supraconducteurs fonctionnent également selon les lois de la mécanique quantique, même s'ils sont beaucoup plus grands que les objets quantiques microscopiques tels que les photons ou les ions. Les circuits électroniques de plusieurs centaines de micromètres fabriqués à partir de matériaux supraconducteurs et fonctionnant à des fréquences de micro-ondes sont considérés comme des objets quantiques macroscopiques.

Par ailleurs, les tests de Bell ont également une importance pratique. «Les tests de Bell modifiés peuvent être utilisés en cryptographie, par exemple, pour démontrer que l'information est effectivement transmise sous forme cryptée», explique Simon Storz, doctorant dans le groupe d'Andreas Wallraff. «Avec notre approche, nous pouvons prouver beaucoup plus efficacement qu'avec d'autres dispositifs expérimentaux que l'inégalité de Bell est violée. Cela la rend particulièrement intéressante pour les applications pratiques.»

La recherche d'un compromis

Cependant, les scientifiques ont besoin d'une installation de test sophistiquée pour ce faire. En effet, pour que le test de Bell ne présente aucune faille, ils doivent s'assurer qu'aucune information ne peut être échangée entre les deux circuits intriqués avant que les mesures quantiques ne soient terminées. La vitesse de transmission des informations étant celle de la lumière, la mesure doit 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 est donc important de trouver un équilibre : plus la distance entre les deux circuits supraconducteurs est grande, plus le temps disponible pour la mesure est important - et plus le dispositif expérimental devient complexe. En effet, l'ensemble de l'expérience doit être réalisé dans un vide proche du zéro absolu.

Les groupe de recherche de l'ETH Zurich a déterminé que la distance la plus courte sur laquelle il est possible de réaliser avec succès un test de Bell sans faille est d'environ 33 mètres, car il faut environ 110 nanosecondes à une particule de lumière pour parcourir cette distance dans le vide. C'est quelques nanosecondes de plus que ce qu'il a fallu aux scientifiques pour réaliser l'expérience.

Vide de trente mètres

L'équipe d'Andreas Wallraff a construit une installation impressionnante dans les passages souterrains du campus de l'ETH Zurich. À chacune de ses deux extrémités se trouve un cryostat contenant un circuit supraconducteur. Ces deux appareils de refroidissement sont reliés par un tube de 30 mètres de long dont l'intérieur est refroidi à une température légèrement supérieure au zéro absolu (-273,15°C).

Avant le début de chaque mesure, un photon micro-onde est transmis d'un des deux circuits supraconducteurs à l'autre, de sorte que les deux circuits deviennent intriqués. Des générateurs de nombres aléatoires décident ensuite des mesures effectuées sur les deux circuits dans le cadre du test de Bell. Ensuite, les résultats des mesures sont comparés de part et d'autre.

Intrication à grande échelle

Après avoir évalué plus d'un million de mesures, les scientifiques ont démontré avec une très grande certitude statistique que l'inégalité de Bell est violée dans ce dispositif expérimental. En d'autres termes, ils ont confirmé que la mécanique quantique permet également des corrélations non locales dans les circuits électriques macroscopiques et, par conséquent, que les circuits supraconducteurs peuvent être intriqués sur une grande distance. Cela ouvre la voie à des applications intéressantes dans le domaine de l'informatique quantique distribuée et de la cryptographie quantique.

La construction de l'installation et la réalisation du test ont constitué un défi, explique Andreas Wallraff. «Nous avons pu financer le projet sur une période de six ans grâce à une subvention avancée du CER. Le simple fait de refroidir l'ensemble du dispositif expérimental à une température proche du zéro absolu demande des efforts considérables. «Il y a 1,3 tonne de cuivre et 14'000 vis dans notre machine, ainsi qu'une grande quantité de connaissances en physique et de savoir-faire en ingénierie», explique le professeur. Il estime qu'il serait en principe possible de construire des installations permettant de franchir des distances encore plus grandes de la même manière. Cette technologie pourrait, par exemple, être utilisée pour connecter des ordinateurs quantiques supraconducteurs sur de grandes distances.