Vous avez peut être déjà croisé dans l’Université des affiches annonçant la remise du prix Marcel Benoist 2014 à Nicolas Gisin pour ses travaux dans le domaine de la cryptographie quantique, tant dans le domaine de la théorie que celui des applications.
Mais peut être que le sujet vous semble assez obscur. Pour tenter de remédier à cela, expliquons les trois points-clefs de cette affaire pour tenter d’y voir plus clair :

  • Prix Marcel Benoist : ce prix est un sorte de prix Nobel, mais à l’échelle suisse. Il a été créé en 1920 par le conseil fédéral afin de respecter les dernières volontés de Marcel Benoist, un avocat français installé à Lausanne, qui souhaitait que ce prix récompense un «savant suisse ou domicilié en Suisse qui aura […] fait la découverte ou l’étude la plus utile dans les sciences, particulièrement celles qui intéressent la vie humaine.»[1]
  • Nicolas Gisin : le Prof. Gisin est le leader du groupe de recherche en optique et communication quantique de l’Université de Genève, le GAP-Quantique, qui se trouve dans les bâtiments de l’Université sis au 22 chemin de Pinchat à Carouge, et un des fondateurs de la recherche en cryptographie quantique. Il a reçu son doctorat en physique à l’Université de Genève en 1981. Sa thèse portant sur la physique statistique et quantique a été récompensée par la fondation Louis de Broglie. Après un post-doc à l’Université de Rochester (New-York) et un passage dans l’industrie de la télécommunication, il revient à l’Université de Genève en 1988 pour diriger la section d’optique du GAP, qui évoluera jusqu’à devenir ce qu’elle est aujourd’hui. À coté des travaux purement académiques, les inventions dans le domaine de la cryptographie quantique du groupe sont commercialisées par l’entreprise fondée en 2001 par Nicolas Gisin, ID Quantique SA. [2]

L’expérience du Prof. Gisin sur l’intrication quantique, menée entre Bellevue et Bernex en 1999, a été considérée par l’American Physics Society comme l’un des faits scientifique les plus marquants du 20ème siècle et en 2003, le MIT a inclus son travail sur la cryptographie quantique parmi les 10 découvertes les plus marquantes de ce siècle. En 2004, il est récompensé pour le projet européen ITS-QUCom et en 2009, il reçoit le tout premier prix John Stewart Bell pour ses travaux sur la mécanique quantique et ses applications[3],[4] .

Ok, faisons une petite pause : pourquoi remet-on ce prix au Prof. Gisin ?
Et bien, pour les résultats que lui et ses collaborateurs (on oublie souvent qu’en physique contemporaine les découvertes ne sont font quasiment jamais seul) ont obtenus dans leurs recherches sur la communication quantique. Non seulement, comme l’indique la biographie du Prof. Gisin, son groupe est très important dans le domaine de la cryptographie quantique depuis les débuts du domaine il y a environ 15 ans et ses travaux sont à la base de ceux de bien d’autres chercheurs, mais de plus ils sont toujours à la pointe ! En effet, encore dernièrement, ils ont réussi à téléporter l’état quantique d’un photon sur 25 kms de fibre optique, ce qui est un record ! Et là, on peut faire l’hypothèse que vous êtes perdu et qu’il faudrait au moins vous expliquer ce qu’est la téléportation quantique, sinon vous allez partir dans un délire digne de Star Trek. Bref, il est temps d’expliquer le 3ème point …

  • Téléportation quantique : Pour commencer, afin de recréer l’expérience menée dernièrement par le Prof. Gisin, il vous faut quelques ingrédients assez précis : 25 km de fibre optique, 1 cristal permettant de stoker des photons et 3 photons. On les appellera respectivement Alice, Bob et Charles. Ce sont des photons, des « particules de lumières », des objets quantiques donc. Les objets quantiques ont une propriété que les objets de la vie de tout les jours, les objets à notre échelle, n’ont pas : ils sont en superposition d’état si on ne les regarde pas. C’est comme si on vous donnait une boite opaque contenant une bille et que la bille était à la fois bleue et rouge tant que la boite est fermée, mais qu’elle se fixe sur une de ses couleurs dès que vous posez vos yeux dessus. Dans le cas de nos photons, cela veut dire que tant que l’on ne mesure pas leur polarisation par exemple, ils sont à la fois polarisés verticalement et horizontalement. Si on mesure (= regarde), ils se fixeront dans un de ses états, mais, en attendant, ils seront les deux à la fois.

Commençons l’expérience. En premier lieu, prenez Alice et Bob. On les a fait interagir de façon à ce qu’ils soient intriqués. C’est-à-dire qu’ils sont en quelque sorte la manifestation en deux endroits différents d’un seul objet. On peut les séparer de la distance que l’on veut, on est sûr que si on mesure quelque chose sur Alice, alors Bob sera exactement dans le même état. Donc on prend Alice et Bob au km 0 de la fibre optique, et on les sépare. On envoie Alice se promener dans la fibre optique tandis qu’on stocke Bob dans le cristal. Maintenant, occupons-nous de Charles, qui se trouve lui au km 25 de la fibre. Charles n’est intriqué à personne. On se contente de le prendre et de l’injecter à l’autre bout de la fibre optique dans laquelle Alice arrive en sens opposé. On a donc une collision entre Alice et Charles. Ils vont y laisser leurs peaux de photons, mais, dans l’opération, l’état de Charles aura été communiqué à Alice. Et comme Alice et Bob étaient intriqués, cela change l’état de Bob, resté dans son cristal. [5]

Mais arrivé à ce point là, vous vous demandez peut-être ce à quoi ça nous avance d’aller faire ça dans 25 kms de fibre optique. Certes, on a « téléporté » l’état d’un photon dans un autre photon situé à 25 kms de là. Mais ça nous avance à quoi ? Et bien, c’est un pas de géant dans le domaine de la communication sécurisée ! En effet, l’utilisation de cette propriété quantique permet de détecter immédiatement la présence d’un espion qui tenterait d’intercepter un message.

La cryptographie quantique est un domaine bien entendu plus vaste que le simple phénomène de téléportation quantique, mais, cependant, par sa relative simplicité d’approche, cette dernière est un bon départ pour la vulgarisation.
Si la lecture de cet article a su faire naitre une certaine curiosité pour ce domaine qui semble friser la science-fiction qu’est la cryptographie quantique et que vous aimeriez en savoir plus, tentez peut être même de mettre le nez dans des articles ou des livres de vulgarisation sur le sujet, par exemple Le Cantique des Quantiques, le monde existe-il ? de Sven Ortoli et Jean-Pierre Pharabod, ou bien Initiation à la physique quantique : la matière et ses phénomènes, de Valerio Scarani. [6]

Audrey Tissot

[1] http://www.marcel-benoist.ch/fr/

[2] http://cms.unige.ch/gap/quantum/wiki/members:nicolas_gisin

[3] http://cms.unige.ch/gap/quantum/wiki/news:20140909-0857

[4] http://www.marcel-benoist.ch/fr/le-prix/prix-2012/

[5] http://www.sciencesetavenir.fr/high-tech/20140923.OBS0007/une-teleportation-reussie-sur-25-km-de-distance.html
http://www.nature.com/nphoton/journal/v8/n10/full/nphoton.2014.215.html

[6] Ces deux ouvrages sont disponibles à la bibliothèque de Sciences II.