L'intrication quantique brise la causalité locale d'Einstein : l'avenir de l'informatique et de la cryptographie

Par ETH Zurich11 mai 2023

Des chercheurs de l'ETH Zurich ont effectué un test de Bell sans échappatoire avec des circuits supraconducteurs, confirmant la mécanique quantique et réfutant le concept de causalité locale d'Einstein. Les découvertes ouvrent des possibilités en informatique quantique distribuée et en cryptographie quantique.

Des chercheurs de l'ETH Zurich ont réussi à démontrer que des objets de mécanique quantique éloignés les uns des autres peuvent être beaucoup plus fortement corrélés les uns aux autres que ce qui est possible dans les systèmes conventionnels. Pour cette expérience, ils ont utilisé pour la première fois des circuits supraconducteurs.

Coupe partielle de la connexion quantique de 30 mètres de long entre deux circuits supraconducteurs. Le tube à vide (au centre) contient un guide d'onde micro-onde refroidi à environ –273°C et connecte les deux circuits quantiques. Crédit : ETH Zurich / Daniel Winkler

Un groupe de chercheurs dirigé par Andreas Wallraff, professeur de physique du solide à l'ETH Zurich, a effectué un test de Bell sans échappatoire pour réfuter le concept de "causalité locale" formulé par Albert Einstein en réponse à la mécanique quantique. En montrant que des objets de mécanique quantique éloignés peuvent être beaucoup plus fortement corrélés les uns aux autres que ce qui est possible dans les systèmes conventionnels, les chercheurs ont fourni une confirmation supplémentaire pour la mécanique quantique. La particularité de cette expérience est que les chercheurs ont pu pour la première fois la réaliser à l'aide de circuits supraconducteurs, considérés comme des candidats prometteurs pour construire de puissants ordinateurs quantiques.

Un test de Bell est basé sur une configuration expérimentale qui a été initialement conçue comme une expérience de pensée par le physicien britannique John Bell dans les années 1960. Bell voulait trancher une question sur laquelle les grands de la physique s'étaient déjà disputés dans les années 1930 : les prédictions de la mécanique quantique, qui vont complètement à l'encontre de l'intuition quotidienne, sont-elles correctes, ou les concepts conventionnels de causalité s'appliquent-ils également dans le microcosme atomique, comme le croyait Albert Einstein ?

Pour répondre à cette question, 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'ils la violeront.

Une vue à l'intérieur d'une section de la connexion quantique de 30 mètres de long. Un guide d'onde en aluminium (au centre), refroidi presque au zéro absolu, relie les deux circuits quantiques. Plusieurs couches de blindage en cuivre protègent le conducteur du rayonnement thermique. Crédit : ETH Zurich / Daniel Winkler

Au début des années 1970, John Francis Clauser, qui a reçu le prix Nobel de physique l'année dernière, et Stuart Freedman ont effectué le premier test pratique de Bell. Dans leurs expériences, les deux chercheurs ont pu prouver que l'inégalité de Bell est bien violée. Mais ils ont dû faire certaines hypothèses dans leurs expériences pour pouvoir les mener en premier lieu. Donc, théoriquement, il se peut qu'Einstein ait eu raison d'être sceptique à l'égard de la mécanique quantique.

Au fil du temps, cependant, de plus en plus de ces échappatoires pourraient être comblées. Enfin, en 2015, divers groupes ont réussi à mener les premiers tests Bell véritablement sans échappatoire, réglant ainsi définitivement l'ancien différend.

Les chercheurs ont développé leur propre cryostat pour refroidir efficacement la connexion quantique de 30 mètres de long. Celui-ci est installé au milieu du lien quantique. Crédit : ETH Zurich / Daniel Winkler

Le groupe de Wallraff peut maintenant confirmer ces résultats avec une nouvelle expérience. Les travaux des chercheurs de l'ETH publiés dans la célèbre revue scientifique Nature montrent que les recherches sur ce sujet ne sont pas terminées, malgré une première confirmation il y a sept ans. 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, même s'ils sont beaucoup plus gros que les objets quantiques microscopiques tels que 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 appelés objets quantiques macroscopiques.

D'autre part, les tests de Bell ont aussi une signification pratique. "Les tests de Bell modifiés peuvent être utilisés en cryptographie, par exemple, pour démontrer que les informations sont effectivement transmises sous forme cryptée", explique Simon Storz, doctorant dans le groupe de Wallraff. "Avec notre approche, nous pouvons prouver beaucoup plus efficacement que ce qui est possible dans d'autres configurations expérimentales que l'inégalité de Bell est violée. Cela le rend particulièrement intéressant pour les applications pratiques."

L'équipe centrale du Quantum Device Laboratory de l'ETH Zurich qui a réalisé l'expérience. De gauche à droite : Anatoly Kulikov, Simon Storz, Andreas Wallraff, Josua Schär, Janis Lütolf. Crédit : ETH Zurich / Daniel Winkler

Cependant, les chercheurs ont besoin d'une installation de test sophistiquée pour cela. Parce que pour que le test de Bell soit vraiment sans échappatoire, ils doivent s'assurer qu'aucune information ne peut être échangée entre les deux circuits intriqués avant que les mesures quantiques ne soient terminées. Étant donné que l'information peut être transmise le plus rapidement possible à la vitesse de la lumière, la mesure doit prendre moins de temps qu'il n'en faut à une particule lumineuse pour se déplacer d'un circuit à l'autre.

Ainsi, lors de la mise en place de l'expérience, il est 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 montage expérimental devient complexe. En effet, toute l'expérience doit être menée dans un vide proche du zéro absolu.

Les chercheurs de l'ETH ont déterminé que la distance la plus courte sur laquelle effectuer un test Bell sans échappatoire réussi était d'environ 33 mètres, car il faut environ 110 nanosecondes à une particule lumineuse pour parcourir cette distance dans le vide. C'est quelques nanosecondes de plus qu'il n'en a fallu aux chercheurs pour réaliser l'expérience.

L'équipe de Wallraff a construit une installation impressionnante dans les passages souterrains du campus de l'EPF. A 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 juste au-dessus du zéro absolu (–273,15°C).

Before the start of each measurement, a microwave photonA photon is a particle of light. It is the basic unit of light and other electromagnetic radiation, and is responsible for the electromagnetic force, one of the four fundamental forces of nature. Photons have no mass, but they do have energy and momentum. They travel at the speed of light in a vacuum, and can have different wavelengths, which correspond to different colors of light. Photons can also have different energies, which correspond to different frequencies of light." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> le photon est transmis de l'un des deux circuits supraconducteurs à l'autre de sorte que les deux circuits s'enchevêtrent. Des générateurs de nombres aléatoires décident ensuite quelles mesures sont effectuées sur les deux circuits dans le cadre du test de Bell. Ensuite, les résultats de mesure des deux côtés sont comparés.

After evaluating more than one million measurements, the researchers have shown with very high statistical certainty that Bell's inequality is violated in this experimental setup. In other words, they have confirmed that quantum mechanics also allows for non-local correlations in macroscopic electrical circuits and consequently that superconducting circuits can be entangled over a large distance. This opens up interesting possible applications in the field of distributed quantum computingPerforming computation using quantum-mechanical phenomena such as superposition and entanglement." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">informatique quantique et cryptographie quantique.

La construction de l'installation et la réalisation du test ont été un défi, explique Wallraff. "Nous avons pu financer le projet sur une durée de six ans grâce à un financement ERC Advanced Grant." Le simple fait de refroidir l'ensemble du montage 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", déclare Wallraff. Il pense qu'il serait en principe possible de construire des installations qui surmontent 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.

Référence : "Violation de l'inégalité de Bell sans échappatoire avec des circuits supraconducteurs" par Simon Storz, Josua Schär, Anatoly Kulikov, Paul Magnard, Philipp Kurpiers, Janis Lütolf, Theo Walter, Adrian Copetudo, Kevin Reuer, Abdulkadir Akin, Jean-Claude Besse, Mihai Gabureac, Graham J. Norris, Andrés Rosario, Ferran Martin, José Martinez, Waldimar Amaya, Morgan W. Mitchell, Carlos Abellan, Jean-Daniel Bancal, Nicolas Sangouard, Baptiste Royer, Alexandre Blais et Andreas Wallraff, 10 mai 2023, Nature. DOI : 10.1038/s41586-023-05885-0