Les mesures quantiques peuvent être aidées par une coïncidence

Quand il s'agit de contrôler des systèmes quantiques - la taille est très importante. Les systèmes plus grands - composés de plus de particules - deviennent rapidement ingérables. Une nouvelle méthode pourrait aider les physiciens à s'attaquer à des systèmes quantiques plus grands et plus délicats.

La mesure répétée de transformations choisies au hasard de particules individuelles révèle fournit des informations sur le degré d'enchevêtrement d'un système. (IQOQI Innsbruck / MRKnabl)

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

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

Une partie de cette difficulté est le fait que l'intrication devient de plus en plus difficile à protéger contre l'effondrement avec un nombre croissant de particules. Il en résulte une procédure extrêmement délicate.

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

Jusqu'à présent, la tomographie d'état quantique a été utilisée pour la caractérisation des états quantiques, avec laquelle le système peut être complètement décrit. Le problème est que cette méthode impliquant 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 il y a à peine deux ans une méthode très efficace pour la caractérisation d'états quantiques complexes. Mais, seuls les états faiblement intriqués 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 intriqué. En collaboration 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 démontré le processus dans un simulateur quantique composé de plusieurs ions disposés en rangée dans une chambre à vide. Partant d'un état simple, les chercheurs ont permis aux particules individuelles d'interagir avec un peu d'aide grâce aux impulsions laser. C'est ainsi que l'intrication a été générée dans le système.

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

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

Dans l'article, maintenant publié dans la revue Science, les physiciens d'Innsbruck caractérisent le développement dynamique d'un système composé de dix ions ainsi que d'un sous-système composé 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 jusqu'à plusieurs dizaines de particules, déclare: «En laboratoire, cette nouvelle méthode nous aide beaucoup car elle nous permet de mieux comprendre notre simulateur quantique et, pour par exemple, pour évaluer plus précisément la pureté de l'enchevêtrement. "

Pour Zoller, l'aspect le plus important de l'étude a été 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, les jeunes chercheurs des deux domaines trouvent de très bonnes conditions pour un travail de recherche compétitif dans le monde entier.»

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

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