Une coïncidence peut aider les mesures quantiques

Lorsqu'il s'agit de contrôler des systèmes quantiques - la taille compte certainement. Les grands systèmes, composés de plus de particules, deviennent rapidement ingérables. Une nouvelle méthode pourrait aider les physiciens à s’attaquer à des systèmes quantiques plus vastes et plus délicats.

La mesure répétée de transformations sélectionnées au hasard de particules individuelles révèle des informations sur le degré d'enchevêtrement d'un système. (IQOQI Innsbruck / M.R.Knabl)

Les scientifiques sont capables de contrôler de petits systèmes quantiques - en étudiant leurs propriétés quantiques - depuis de nombreuses années. De telles simulations sont considérées comme les premières applications prometteuses des technologies quantiques, des avancées qui pourraient résoudre des problèmes lorsque les simulations sur des ordinateurs classiques échouent.

Cependant, les systèmes quantiques plus vastes s'avèrent plus difficiles à traiter expérimentalement - et comme les systèmes quantiques utilisés comme simulateurs quantiques doivent continuer à se développer - il en va de même pour la difficulté de les manipuler.

Une partie de cette difficulté tient au fait qu’il est de plus en plus difficile d’empêcher l’enchevêtrement de s’effondrer avec l’augmentation du nombre de particules. Cela se traduit par une procédure extrêmement délicate.

Christian Roos de l'Institut d'optique quantique et d'information quantique de l'Académie autrichienne des sciences explique: «Pour pouvoir utiliser un simulateur quantique composé de dix particules ou plus en laboratoire, nous devons caractériser le plus fidèlement possible les états du système. . "

Jusqu'ici, la tomographie à états quantiques a été utilisée pour la caractérisation d'états quantiques, avec laquelle le système peut être décrit complètement. Le problème est que, comme cette méthode implique beaucoup d’efforts de mesure et de calcul, elle ne peut actuellement pas être utilisée pour des systèmes contenant plus d’une demi-douzaine de particules.

Christian Roos, avec des collègues d'Allemagne et de Grande-Bretagne, a présenté une méthode très efficace pour caractériser des états quantiques complexes il y a à peine deux ans. Mais seuls les états faiblement enchevêtrés peuvent être décrits avec cette méthode.

L'année dernière, Peter Zoller a introduit une méthode qui pourrait traiter cette complication et peut donc être utilisée pour caractériser tout état enchevêtré. En travaillant avec les physiciens expérimentaux Rainer Blatt et Christian Roos et leur équipe, ils ont maintenant démontré cette méthode en laboratoire.

Simulations quantiques sur des systèmes plus grands

Les physiciens ont présenté le processus dans un simulateur quantique composé de plusieurs ions disposés en rangées dans une chambre à vide. À partir d'un état simple, les chercheurs ont permis aux particules individuelles d'interagir avec un peu d'aide des impulsions laser. C’est ainsi que l’enchevêtrement a été généré dans le système.

Andreas Elben, membre de l’équipe de Zoller, explique: «La nouvelle méthode est basée sur la mesure répétée de transformations choisies au hasard de particules individuelles. L'évaluation statistique des résultats de mesure fournit ensuite des informations sur le degré d'enchevêtrement du système. ”

Tiff Brydges, un doctorant de l’Institut d’optique quantique et d’information quantique, poursuit: «Nous effectuons 500 transformations locales sur chaque ion et répétons les mesures 150 fois au total afin de pouvoir ensuite utiliser des méthodes statistiques pour déterminer les informations relatives à chaque ion. l'état d'enchevêtrement des résultats de mesure. "

Les physiciens d’Innsbruck décrivent dans le document, à présent publié dans la revue Science, le développement dynamique d’un système composé de dix ions et d’un sous-système constitué de dix ions d’une chaîne de 20 ions.

Roos, qui espère que la nouvelle méthode pourra être appliquée avec succès à des systèmes quantiques contenant plusieurs dizaines de particules, déclare: «En laboratoire, cette nouvelle méthode nous aide beaucoup, car elle nous permet de mieux comprendre notre simulateur quantique et exemple, pour évaluer plus précisément la pureté de l’enchevêtrement. "

Pour Zoller, l’aspect le plus important de l’étude était la coopération: «Cette publication montre une fois de plus la coopération fructueuse entre les physiciens théoriciens et les physiciens expérimentaux, ici à Innsbruck.

«À l’Université d’Innsbruck et à l’Institut d’optique quantique et d’information quantique de l’Académie autrichienne des sciences, de jeunes chercheurs des deux domaines trouvent de très bonnes conditions pour des travaux de recherche compétitifs dans le monde entier.»

Roos espère également d’autres applications pour la nouvelle méthode: «Une deuxième application que nous voyons se trouve dans les expériences de simulation quantique, où la technique pourrait aider à comprendre comment l’enchevêtrement se propage dans les systèmes quantiques lorsque les constituants du système interagissent mécaniquement les uns avec les autres».

Recherche originale: http://dx.doi.org/10.1126/science.aau4963