Un outil quantique ouvre la porte à des phénomènes inexplorés

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L’intrication est un phénomène quantique dans lequel les propriétés de deux ou plusieurs particules s’interconnectent de telle manière qu’il n’est plus possible d’attribuer un état défini à chaque particule individuelle. Nous devons plutôt considérer simultanément toutes les particules partageant un certain état. L’enchevêtrement des particules détermine en fin de compte les propriétés d’un matériau.

« L’intrication de nombreuses particules est la caractéristique qui fait la différence », souligne Christian Kokail, l’un des premiers auteurs de l’article aujourd’hui publié dans Nature. « Mais en même temps, c’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 qui peut améliorer considérablement l’étude et la compréhension de l’intrication dans les matériaux quantiques. . Afin de décrire de grands systèmes quantiques et d’en extraire des informations sur l’intrication existante, il faudrait naïvement effectuer un nombre incroyablement grand de mesures. « Nous avons développé une description plus efficace, qui nous permet d’extraire des informations d’intrication du système avec beaucoup moins de mesures », explique le physicien théoricien Rick van Bijnen.

Dans un simulateur quantique de piège à ions comportant 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 disposent du contrôle nécessaire sur autant de particules que les physiciens expérimentaux d’Innsbruck dirigés par Christian Roos et Rainer Blatt. « Le principal défi technique auquel nous sommes confrontés ici est de savoir comment maintenir de faibles taux d’erreur tout en contrôlant 51 ions piégés dans notre piège et en garantissant la faisabilité du contrôle et de la lecture de qubits individuels », explique l’expérimentateur Manoj Joshi. Ce faisant, les scientifiques ont été témoins pour la première fois d’effets expérimentaux qui n’avaient été décrits auparavant que théoriquement. « Nous avons ici combiné des connaissances et des méthodes que nous avons minutieusement élaborées ensemble au cours des dernières années. C’est impressionnant de voir qu’on peut faire ces choses avec les ressources disponibles aujourd’hui », se réjouit Christian Kokail, qui a récemment rejoint l’Institut de recherche théorique. Physique moléculaire atomique et optique à Harvard.

Raccourci via les profils de température

Dans un matériau quantique, les particules peuvent être plus ou moins fortement intriquées. Les mesures sur une particule fortement intriquée ne donnent que des résultats aléatoires. Si les résultats des mesures fluctuent beaucoup, c’est-à-dire s’ils sont purement aléatoires, les scientifiques parlent alors de « chaud ». Si la probabilité d’un certain résultat augmente, il s’agit d’un objet quantique « froid ». Seule la mesure de tous les objets enchevêtrés révèle 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 prédit que les sous-régions d’un système de nombreuses particules intriquées peuvent se voir attribuer un profil de température. Ces profils peuvent être utilisés pour déduire le degré d’enchevêtrement des particules.

Dans le simulateur quantique d’Innsbruck, ces profils de température sont déterminés via 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 celles qui interagissent peu sont « froides ». « Cela correspond exactement aux attentes selon lesquelles l’intrication est particulièrement importante là où l’interaction entre les particules est forte », explique Christian Kokail.

Ouvrir les portes 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 porte à l’étude d’une nouvelle classe de phénomènes physiques avec des simulateurs quantiques déjà disponibles aujourd’hui », déclare le cerveau quantique Peter Zoller. . « 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.

Les résultats ont été publiés dans Nature. Le soutien financier pour la recherche a été fourni par le Fonds scientifique autrichien FWF, l’Agence autrichienne de promotion de la recherche FFG, l’Union européenne, la Fédération des industries autrichiennes du Tyrol et d’autres.

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