0. Préambule : Ce qui est réellement intriqué (Les degrés de liberté)
Avant d'aborder le "comment", il est impératif de comprendre que l'on n'intrique pas des "billes" physiques, mais des états quantiques ou des paramètres portés par ces particules. La particule n'est que le vecteur. Deux particules peuvent être intriquées sur un paramètre tout en étant indépendantes sur un autre.
Voici les principaux "degrés de liberté" utilisés :
La Polarisation : C'est la forme la plus classique en optique. Elle concerne l'orientation du champ électrique du photon. Si l'état de polarisation est intriqué, la mesure d'un photon comme étant "Horizontal" forcera instantanément l'autre à être "Vertical" (dans un état singulet), quelle que soit la distance.
Le Time-Bin (Codage Temporel) : Ici, c'est le moment d'arrivée qui est intriqué. On fait passer un photon dans un interféromètre asymétrique qui lui offre deux possibilités : un chemin court (tôt) ou un chemin long (tard). Le photon sort dans une superposition "tôt + tard". Dans une paire intriquée en Time-Bin, si l'un est détecté dans le créneau "tôt", l'autre est corrélé pour être détecté dans le même créneau temporel, ce qui est très robuste pour le transport par fibre optique.
Le Frequency-Bin (Intrication en Fréquence/Couleur) : Ce paramètre repose sur l'énergie. Lorsqu'un photon parent de haute énergie est converti, il crée deux photons filles. Si l'un est légèrement plus rouge (moins d'énergie), l'autre doit être obligatoirement plus bleu (plus d'énergie) pour conserver l'énergie totale. C'est une intrication de la "couleur" du photon.
Le Spin : Fondamental pour les électrons et atomes. Si l'un est "Spin Haut", l'autre est "Spin Bas".
L'Hyperintrication (Hyperentanglement) : C'est l'utilisation simultanée de plusieurs de ces méthodes sur la même particule. Par exemple, deux photons peuvent être intriqués en Polarisation ET en Time-Bin ET en Fréquence. Cela permet de densifier l'information et de réaliser des protocoles de correction d'erreurs complexes.
1. L'Intrication Naturelle (Principe de Pauli)
L'intrication n'est pas toujours un artifice de laboratoire ; elle est une conséquence intrinsèque de la statistique quantique.
Le Mécanisme :
Selon le principe d'exclusion de Pauli, deux fermions identiques (comme des électrons) ne peuvent occuper exactement le même état quantique au même endroit.
Imaginez deux électrons dans la même orbitale d'un atome (même lieu, même niveau d'énergie). Pour respecter la loi de la nature, leur fonction d'onde globale doit être "antisymétrique". Cela force leurs spins à s'opposer.
Sans aucune intervention extérieure, la géométrie de l'espace et la nature des fermions créent un état intriqué (état singulet) : si l'électron A est "Haut", l'électron B doit être "Bas". C'est une intrication dictée par la simple coexistence spatiale.
2. L'Intrication Locale avec Séparation (La Source Classique)
C'est la méthode standard pour générer des photons intriqués qui sont ensuite envoyés à des kilomètres l'un de l'autre.
La Génération (SPDC) :
On utilise généralement la Conversion Paramétrique Spontanée (SPDC). Un laser envoie des photons dans un cristal non-linéaire. De temps en temps, un photon du laser se scinde en deux photons de plus basse énergie au même point précis du cristal.
La Conservation comme Lien :
Puisqu'ils naissent du même événement spatio-temporel, les lois de conservation les lient indéfectiblement :
Conservation de l'énergie →→ crée l'intrication en Fréquence.
Conservation du moment→→ crée l'intrication Spatiale (directions corrélées).
L'accord de phase→→ crée souvent l'intrication de Polarisation.
Une fois créés localement, ces photons sont séparés et envoyés vers Alice et Bob. Bien qu'éloignés, ils appartiennent toujours à la même fonction d'onde initiale.
3. Le Swapping d'Intrication (Intriquer sans se croiser)
Ceci répond à votre observation cruciale : des particules peuvent être intriquées sans jamais s'être trouvées au même endroit.
Le Processus :
Imaginez deux sources indépendantes et éloignées.
La Source A produit la paire (1 et 2).
La Source B produit la paire (3 et 4).
Le photon 1 va vers Alice, le photon 4 va vers Bob.
Les photons 2 et 3 sont envoyés vers une station centrale (Charlie).
À ce stade, 1 n'a aucun lien avec 4. Ils viennent de cristaux différents.
L'Échange (Mesure de Bell) :
Charlie effectue une "Mesure d'État de Bell" conjointe sur les photons 2 et 3. Cette mesure force 2 et 3 à devenir intriqués a posteriori. Mathématiquement, cela projette l'ensemble du système.
Conséquence immédiate : Le photon 1 (chez Alice) devient intriqué avec le photon 4 (chez Bob).
L'intrication a été "téléportée" ou "échangée". Alice et Bob partagent désormais un lien quantique alors que leurs particules ne se sont jamais touchées. C'est la base des Répéteurs Quantiques.
4. L'Intrication par le Chemin (Path Entanglement)
Ici, ce n'est pas le spin ou la polarisation qui est intriqué, mais la trajectoire spatiale (le chemin) empruntée par la particule.
États NOON et Fentes de Young :
Si un photon passe par une double fente, il est en superposition de passer par la fente Gauche (G) et la fente Droite (D). Si l'on a deux particules, on peut créer un état où :
(Toutes les particules passent par G) + (Toutes les particules passent par D).
C'est l'état NOON. Si vous mettez un détecteur sur le chemin G et trouvez un photon, vous savez instantanément que l'autre photon est aussi sur le chemin G. La variable intriquée est "quel chemin a été pris".
Imagerie Fantôme (Ghost Imaging) :
Cette technique utilise l'intrication par le chemin et le moment (impulsion). Un photon (signal) est envoyé vers un objet, et son partenaire (idler) est envoyé vers une caméra, sans jamais toucher l'objet. Grâce aux corrélations spatiales (si le photon 1 va en haut, le photon 2 va en bas), la caméra peut reconstruire l'image de l'objet uniquement en regardant le photon qui ne l'a jamais vu.
Conclusion et Synthèse
Pour résumer, l'intrication n'est pas une méthode unique mais une famille de corrélations quantiques s'appliquant à divers paramètres :
Intrication Naturelle : Forcée par la statistique des particules (Fermions/Pauli) dans un espace confiné.
Intrication Locale : Née de la conservation de l'énergie/moment lors de la fission d'une particule mère (SPDC), persistante après séparation.
Swapping (Échange) : Intrication projetée à distance sur des particules n'ayant jamais interagi, via une mesure intermédiaire.
Intrication de Chemin : Superposition corrélée des trajectoires spatiales (Fentes, NOON).
Enfin, l'Hyperintrication représente le summum de ces techniques : elle combine, sur une seule paire de particules, une intrication en polarisation (via SPDC), en énergie (Frequency-bin), et en chemin spatial. Cela crée un lien quantique extrêmement dense et difficile à rompre, ouvrant la voie aux communications quantiques à haut débit.
Aucun commentaire:
Enregistrer un commentaire