Un tournant majeur pour les communications quantiques à longue distance
Les technologies quantiques, s’appuyant sur les principes fondamentaux de la mécanique quantique, s’avèrent de plus en plus capables de surpasser les systèmes classiques dans des tâches de haute précision. Comme le souligne un rapport de la journaliste Ingrid Fadelli, l’exploitation de systèmes quantiques capables de transporter des informations via des photons, qui sont des particules de lumière, ouvre la voie à des réseaux de communication ultra-sécurisés à l’échelle mondiale.
Cependant, le déploiement de ces infrastructures se heurte à un obstacle de taille : la perte de photons. Ce phénomène, qui englobe la dispersion, l’absorption ou la disparition pure et simple des particules de lumière durant leur trajet, s’accentue de manière critique à mesure que la distance de transmission s’allonge, affaiblissant ainsi le signal.
Pour contourner cette limite physique, une équipe de chercheurs de l’Université de sciences et technologie de Chine a exploré le concept de téléportation quantique. Leurs travaux, dont l’étude a été publiée dans Nature Physics, démontrent pour la première fois qu’il est possible de surpasser la transmission directe de photons grâce à cette approche novatrice.
Le principe de la téléportation quantique et le défi de l’efficacité
La téléportation quantique repose sur le transfert de l’état quantique d’une particule vers une autre, sans déplacement physique de la matière, en utilisant le phénomène d’intrication quantique. Bien que ce protocole élégant soit étudié par les physiciens depuis plus de quarante ans, son application concrète s’est longtemps heurtée à des contraintes techniques majeures.
Le chercheur Chaoyang Lu, co-auteur principal de l’étude, explique la transition de la discipline vers des applications concrètes : « Dans la science de l’information quantique, nous avons atteint une étape où l’objectif central n’est plus simplement de démontrer des effets quantiques fascinants, mais de prouver que les technologies quantiques peuvent surpasser les meilleures alternatives classiques dans des tâches bien définies. De telles démonstrations sont des jalons essentiels sur la voie de technologies de l’information quantique pratiques. Un bon exemple tiré de nos propres travaux est Jiuzhang, l’ordinateur quantique photonique que nous avons présenté en 2020, qui a démontré un avantage computationnel quantique en utilisant des photons. »
Cette réussite historique a poussé l’équipe à aller encore plus loin. « Au fil des ans, notre groupe a exploré la téléportation dans des systèmes de plus en plus complexes, incluant de multiples degrés de liberté et des états quantiques à haute dimension. Après ces expériences de preuve de concept, nous avons commencé à nous poser une question très simple : dans une expérience réelle, la téléportation peut-elle transmettre un qubit photonique plus efficacement que le simple envoi direct du photon à travers le même canal à fortes pertes ? » précise Chaoyang Lu.
La confrontation directe : téléportation contre transmission classique
En analysant la littérature scientifique existante, les physiciens ont constaté qu’aucune étude n’avait jusqu’alors comparé expérimentalement la téléportation quantique et la transmission directe de photons. Cette lacune s’explique par la difficulté technique d’établir une intrication stable et efficace entre deux nœuds de communication éloignés.
Cette absence de données a motivé les chercheurs chinois à concevoir un dispositif permettant de faire s’affronter directement les deux méthodes. « Cette observation a été le point de départ de notre travail. Nous voulions prendre ce protocole fondamental et épuré et le faire rivaliser directement avec la transmission directe, presque comme si nous mettions la téléportation et la transmission de photons ordinaire sur un même ring de boxe. En utilisant des photons comme des qubits volatils, nous avons développé un schéma entièrement optique pour créer une intrication annoncée à haute efficacité, puis nous l’aimons utilisée pour la téléportation à travers un canal à fortes pertes », détaille Chaoyang Lu.
Pour valider cette hypothèse, l’équipe a mis au point une configuration optique inédite capable de générer des paires de photons intriqués à distance. Ce mécanisme a permis de surmonter la dégradation du signal provoquée par la traversée de milieux hautement absorbants.
Une méthode d’intrication innovante pour contrer les pertes de signal
Le cœur du dispositif repose sur une variante de l’échange d’intrication. Chaoyang Lu expose la spécificité de leur approche : « Ce schéma peut être vu comme une version inconditionnelle de l’échange d’intrication : sur six photons générés, nous en mesurons quatre, et les résultats de ces mesures annoncent la création d’une paire EPR (Einstein-Podolsky-Rosen) de haute qualité dans les deux photons restants. Surtout, cette paire annoncée est préparée d’une manière qui évite en grande partie les pertes subies lors d’une transmission directe. »
Les scientifiques ont rigoureusement analysé et simulé ce processus en mesurant des indicateurs clés tels que la fidélité et l’efficacité de l’annonce d’intrication. Par la suite, la paire EPR générée a été testée au sein d’un canal simulant des conditions réelles extrêmes, avec un taux de transmission de lumière d’à peine 1 %.
Les résultats ont confirmé de manière éclatante la supériorité de la téléportation. « En mesurant à la fois l’efficacité et la fidélité des états photoniques téléportés, nous avons constaté que la téléportation était près de trois fois plus efficace que la transmission directe, même lorsque cette dernière était améliorée par un clonage quantique optimal. Cela a démontré l’avantage inconditionnel de notre schéma de téléportation », se félicite le physicien.
Vers les réseaux quantiques mondiaux et l’Internet de demain
Cette avancée majeure rapproche concrètement la téléportation quantique d’une utilisation industrielle à grande échelle. « La téléportation quantique a longtemps été considérée comme un moyen élégant de transférer des états quantiques sans envoyer physiquement la particule elle-même. Ce que nous démontrons ici, c’est que, dans des conditions réalistes de perte de photons, cette idée peut faire plus que simplement illustrer un principe fondamental : elle peut surpasser la transmission directe », rappelle Chaoyang Lu.
Cette démonstration ouvre des perspectives inédites pour le développement de relais, de répéteurs quantiques et de processeurs interconnectés. « En pratique, cela suggère une voie prometteuse vers des communications quantiques plus efficaces et de futurs réseaux quantiques. En utilisant l’intrication annoncée comme ressource, la téléportation peut aider à surmonter les graves pertes de photons qui limitent les canaux quantiques optiques à longue distance », ajoute-t-il.
Les détails complets de cette découverte majeure menée par Li-Chao Peng et ses collaborateurs sont accessibles via le DOI: 10.1038/s41567-026-03348-7 publié par la revue Nature Physics. L’équipe planifie désormais des tests hors laboratoire sur des réseaux de fibres optiques réels et vise la création d’états intriqués encore plus complexes, tels que les états GHZ, afin de poser les bases d’un Internet quantique global.
Selon la source : phys.org
La téléportation quantique surpasse la transmission directe et résout la perte de photons sur longue distance
