Une équipe de physiciens de l’Université nationale de Yokohama, au Japon, a réussi à démontrer la téléportation quantique – l’échange à distance d’états quantiques – dans un diamant.
La structure du réseau du diamant contient un centre de vacance d’azote entouré de spins nucléaires de carbone ; l’isotope de carbone 13C (vert) est d’abord enchevêtré avec un électron (bleu) dans la vacance, qui attend ensuite l’absorption d’un photon (rouge), ce qui entraîne un transfert d’état par téléportation quantique du photon dans la mémoire du carbone. Crédit image : Tsurumoto et al, doi : 10.1038/s42005-019-0158-0.
“La téléportation quantique est un principe clé pour la technologie de l’information quantique. Elle permet le transfert d’informations quantiques dans un espace autrement inaccessible”, explique le professeur Hideo Kosaka, auteur principal de l’étude.
“Il permet également le transfert d’informations dans une mémoire quantique sans révéler ou détruire les informations quantiques stockées.”
L’espace inaccessible, dans ce cas, était constitué d’atomes de carbone dans le diamant. Composé d’atomes de carbone liés, mais contenus individuellement, un diamant contient les ingrédients parfaits pour la téléportation quantique.
Un atome de carbone contient six protons et six neutrons dans son noyau, entourés de six électrons en rotation. Lorsque les atomes se lient pour former un diamant, ils forment un réseau notoirement solide.
Les diamants présentent toutefois des défauts complexes, lorsqu’un atome d’azote se trouve dans l’un des deux espaces vacants adjacents où devraient se trouver les atomes de carbone. Ce défaut s’appelle un centre de vide d’azote.
Entouré d’atomes de carbone, la structure du noyau de l’atome d’azote crée ce que les physiciens appellent un nano-aimant.
Pour manipuler un électron et un isotope de carbone dans la vacance, le professeur Kosaka et ses collègues ont attaché un fil d’environ un quart de la largeur d’un cheveu humain à la surface d’un diamant.
Les chercheurs ont appliqué une micro-onde et une onde radio au fil pour créer un champ magnétique oscillant autour du diamant.
Ils ont façonné les micro-ondes afin de créer les conditions optimales et contrôlées pour le transfert d’informations quantiques à l’intérieur du diamant.
Ils ont ensuite utilisé le nano-aimant d’azote pour ancrer un électron.
En utilisant les micro-ondes et les ondes radio, ils ont forcé le spin de l’électron à s’enchevêtrer avec le spin nucléaire du carbone – le moment angulaire de l’électron et du noyau d’un atome de carbone.
Le spin de l’électron se décompose sous l’effet du champ magnétique créé par le nano-aimant, ce qui le rend susceptible de s’enchevêtrer.
Une fois que les deux pièces sont enchevêtrées, c’est-à-dire que leurs caractéristiques physiques sont tellement entremêlées qu’elles ne peuvent être décrites individuellement, un photon contenant des informations quantiques est appliqué et l’électron absorbe le photon.
L’absorption permet de transférer l’état de polarisation du photon dans le carbone, par l’intermédiaire de l’électron enchevêtré, ce qui démontre une téléportation de l’information au niveau quantique.
” Le succès du stockage du photon dans l’autre nœud établit l’intrication entre deux nœuds adjacents. Appelé répéteur quantique, ce processus peut transporter des morceaux d’information individuels d’un nœud à l’autre, à travers le champ quantique”, a déclaré le professeur Kosaka.
“Notre objectif ultime est de réaliser des répéteurs quantiques évolutifs pour les communications quantiques à longue distance et des ordinateurs quantiques distribués pour le calcul et la métrologie quantiques à grande échelle.”
Les résultats sont publiés dans la revue Communications Physics.
