Parmi les différents phénomènes étranges rencontrés dans le cadre de la mécanique quantique, le principe de superposition occupe certainement la première place. Grâce à ce principe selon lequel l’état d’un système quantique peut posséder une infinité de valeurs tant qu’aucune mesure n’est réalisée, des physiciens ont démontré qu’une particule peut être utilisée pour envoyer deux signaux différents simultanément.

Lorsqu’une particule est en état de superposition, son état quantique n’est pas défini. Cela signifie que ses différentes observables, comme son spin ou sa quantité de mouvement, ne sont pas encore précisément déterminées. Il en va de même pour sa position. Les auteurs de l’étude publiée dans la revue Physical Review Letters démontrent ainsi qu’un même photon peut être utilisé pour envoyer simultanément un message à deux personnes.

Avec cette découverte, non seulement les futurs systèmes de communication quantique seront plus sécurisés, mais également plus rapides. « Si nous voulons transmettre des messages entre plusieurs endroits différents au même moment, il paraît évident que, quelque soit l’objet contenant et délivrant l’information, celui-ci doit être présent à tous ces endroits » explique Flavio Del Santo (Université de Vienne, Autriche).

« Cependant, si nous plaçons cet objet dans une superposition quantique de ces différents lieux, il peut alors collecter, stocker et délivrer l’information simultanément pour ces différents endroits ». En d’autres termes, les chercheurs expliquent que c’est comme si vous étiez capable de rendre visite et transmettre un message à deux de vos amis en même temps, plutôt que de passer voir l’un en premier, puis l’autre ensuite.

communication quantique simultanee

Si la physique classique n’autorise pas les communications simultanées avec une seule et même particule, la mécanique quantique, elle, le permet grâce au principe de superposition. Crédits : Del Santo et al

« Envisageons le simple scénario suivant : deux personnes, Alice et Bob, souhaitent s’échanger un simple bit d’information, soit 0 soit 1 » explique Borivoje Dakić (Académie des Sciences autrichienne). « Ils encodent leur message simultanément, directement dans la particule en état de superposition quantique. Une fois l’information encodée, les deux protagonistes envoient chacun leur « part » de la particule à l’autre ».

La communication nécessite ensuite un type de dispositif particulier qui peut aiguiller les différentes « parties » de la particules selon le message contenu. « Par exemple, si Alice recevait une partie de la particule, elle saurait que le bit encodé par Bob serait l’opposé du sien » précise Borivoje Dakić. Alice et Bob ont donc envoyé et reçu un message simultanément.

experience communication simultanee photon

Un photon contenant de l’information est placé en état de superposition grâce à des miroirs entre les stations d’Alice et de Bob, puis il est ensuite simultanément envoyé aux deux protagonistes. Crédits : Del Santo et al

Pour illustrer expérimentalement leur théorie, les auteurs placent un photon en état de superposition grâce à des miroirs et autres dispositifs optiques entre deux « stations » représentant Alice et Bob. Après avoir encodé le photon avec un 0 ou un 1, à chaque station, ce dernier est ensuite envoyé à la station opposée. Puisque le photon interagit avec lui-même au cours du voyage, amplifiant ou atténuant le signal, chaque station sait d’où provient le photon reçu.

Une étude décrivant cette expérience est déjà disponible sur les serveurs de arXiv, en attente d’être analysée et validée par d’autres équipes. Bien que plusieurs autres données doivent encore être recueillies pour confirmer cette découverte, cette dernière ouvre la voie vers de futurs systèmes de communication quantiques ultra-rapides. « Parfois vous négligez une bonne idée alors qu’elle est juste sous vôtre nez » conclut Philip Walther (Université de Vienne), physicien ayant aidé à la mise en place de l’expérience.

Source : Physical Review Letters

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