Un outil quantique ouvre la voie à des phénomènes inexplorés
La méthode peut contribuer à une meilleure compréhension des matériaux quantiques
Des scientifiques dirigés par Peter Zoller ont mis au point un nouvel outil de mesure de l'intrication dans les systèmes à plusieurs corps et l'ont démontré par des expériences. Cette méthode permet d'étudier des phénomènes physiques auparavant inaccessibles et pourrait contribuer à une meilleure compréhension des matériaux quantiques. Ces travaux viennent d'être publiés dans la revue Nature.
L'intrication est un phénomène quantique dans lequel les propriétés de deux ou plusieurs particules sont interconnectées de telle sorte qu'il n'est plus possible d'attribuer un état précis à chaque particule individuelle. Il faut plutôt considérer toutes les particules à la fois qui partagent un certain état. L'enchevêtrement des particules détermine en fin de compte les propriétés d'un matériau.
"L'enchevêtrement de nombreuses particules est la caractéristique qui fait la différence", souligne Christian Kokail, l'un des premiers auteurs de l'article publié dans Nature. "En même temps, elle est très difficile à déterminer". Les chercheurs dirigés par Peter Zoller de l'université d'Innsbruck et de l'Institut d'optique quantique et d'information quantique (IQOQI) de l'Académie autrichienne des sciences (ÖAW) proposent désormais une nouvelle approche susceptible d'améliorer considérablement l'étude et la compréhension de l'intrication dans les matériaux quantiques. Pour décrire de grands systèmes quantiques et en extraire des informations sur l'intrication existante, il faudrait naïvement effectuer un nombre incroyablement élevé de mesures. "Nous avons mis au point une description plus efficace, qui nous permet d'extraire des informations sur l'intrication du système avec un nombre de mesures nettement inférieur", explique le physicien théoricien Rick van Bijnen.
Dans un simulateur quantique à piège à ions contenant 51 particules, les scientifiques ont imité un matériau réel en le recréant particule par particule et en l'étudiant dans un environnement de laboratoire contrôlé. Très peu de groupes de recherche dans le monde ont le contrôle nécessaire d'autant de particules que les physiciens expérimentateurs d'Innsbruck dirigés par Christian Roos et Rainer Blatt. "Le principal défi technique auquel nous sommes confrontés ici est de maintenir des taux d'erreur faibles tout en contrôlant 51 ions piégés dans notre piège et en garantissant la faisabilité du contrôle et de la lecture des qubits individuels", explique l'expérimentateur Manoj Joshi. Au cours de ce processus, les scientifiques ont observé pour la première fois des effets dans l'expérience qui n'avaient été décrits auparavant que de manière théorique. "Nous avons combiné ici des connaissances et des méthodes que nous avons laborieusement élaborées ensemble au cours des dernières années. Il est impressionnant de voir que l'on peut réaliser de telles choses avec les ressources disponibles aujourd'hui", s'enthousiasme Christian Kokail, qui a récemment rejoint l'Institut de physique atomique, moléculaire et optique théorique de Harvard.
Raccourci par les profils de température
Dans un matériau quantique, les particules peuvent être plus ou moins fortement intriquées. Les mesures effectuées sur une particule fortement intriquée ne donnent que des résultats aléatoires. Si les résultats des mesures fluctuent fortement, c'est-à-dire s'ils sont purement aléatoires, les scientifiques les qualifient de "chauds". Si la probabilité d'un certain résultat augmente, il s'agit d'un objet quantique "froid". Seule la mesure de tous les objets intriqués permet de connaître l'état exact. Dans les systèmes composés d'un très grand nombre de particules, l'effort de mesure augmente énormément. La théorie quantique des champs a prédit que des sous-régions d'un système composé de nombreuses particules intriquées peuvent se voir attribuer un profil de température. Ces profils peuvent être utilisés pour déduire le degré d'intrication des particules.
Dans le simulateur quantique d'Innsbruck, ces profils de température sont déterminés par une boucle de rétroaction entre un ordinateur et le système quantique, l'ordinateur générant constamment de nouveaux profils et les comparant aux mesures réelles de l'expérience. Les profils de température obtenus par les chercheurs montrent que les particules qui interagissent fortement avec l'environnement sont "chaudes" et que celles qui interagissent peu sont "froides". "Cela correspond exactement aux attentes, à savoir que l'intrication est particulièrement importante lorsque l'interaction entre les particules est forte", explique Christian Kokail.
Ouvrir la voie à de nouveaux domaines de la physique
"Les méthodes que nous avons développées constituent un outil puissant pour étudier l'intrication à grande échelle dans la matière quantique corrélée. Cela ouvre la voie à l'étude d'une nouvelle catégorie de phénomènes physiques à l'aide de simulateurs quantiques déjà disponibles aujourd'hui", explique Peter Zoller, maître d'œuvre de l'étude quantique. "Avec les ordinateurs classiques, de telles simulations ne peuvent plus être calculées avec un effort raisonnable. Les méthodes développées à Innsbruck seront également utilisées pour tester de nouvelles théories sur de telles plateformes.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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