Des chercheurs maîtrisent l’intrication de 51 particules grâce à un simulateur quantique

Une nouvelle approche permet d’étudier et de comprendre l’intrication quantique dans les matériaux, avec pour conséquence directe d’ouvrir de nouvelles perspectives dans le domaine de la physique.

L’intrication quantique est un phénomène où les propriétés de deux particules ou plus deviennent interconnectées de telle manière qu’il n’est plus possible d’attribuer un état défini à chaque particule individuelle. Au lieu de cela, il faut considérer l’ensemble des particules partageant un certain état. L’intrication des particules détermine finalement les propriétés d’un matériau.

Une nouvelle approche pour étudier l’intrication

« L’intrication 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, cependant, il est très difficile à déterminer. »

Les chercheurs dirigés par Peter Zoller à l’Université d’Innsbruck et l’Institut d’optique quantique et d’information quantique (IQOQI) de l’Académie autrichienne des sciences (ÖAW) proposent une nouvelle approche qui peut améliorer significativement l’étude et la compréhension de l’intrication dans les matériaux quantiques.

« Nous avons développé une description plus efficace, qui nous permet d’extraire des informations sur l’intrication du système avec beaucoup moins de mesures », explique le physicien théoricien Rick van Bijnen.

Un simulateur quantique pour étudier les matériaux

Dans un simulateur quantique à piège d’ions avec 51 particules, les scientifiques ont imité un véritable matériau 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 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 maintenir des taux d’erreur faibles tout en contrôlant les 51 ions piégés dans notre piège et en assurant la faisabilité du contrôle et de la lecture individuelle des qubits », précise l’expérimentateur Manoj Joshi.

Les profils de température comme raccourci

La théorie des champs quantiques a prédit que des profils de température peuvent être attribués à des sous-régions d’un système de nombreuses particules intriquées. 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 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.

Ouverture de nouvelles perspectives en physique

« Les méthodes que nous avons développées fournissent 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 », indique le maître à penser quantique Peter Zoller. « Avec des 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 ces plateformes.

En synthèse

En combinant une nouvelle approche et un simulateur quantique, les chercheurs ont réussi à étudier et à comprendre l’intrication quantique dans les matériaux d’une manière plus efficace.

Pour une meilleure compréhension

1. Qu’est-ce que l’intrication quantique ?

L’intrication quantique est un phénomène où les propriétés de deux particules ou plus deviennent interconnectées de telle manière qu’il n’est plus possible d’attribuer un état défini à chaque particule individuelle. Au lieu de cela, il faut considérer l’ensemble des particules partageant un certain état.

2. Quelle est la nouvelle approche pour étudier l’intrication ?

La nouvelle approche consiste à développer une description plus efficace qui permet d’extraire des informations sur l’intrication du système avec beaucoup moins de mesures.

3. Comment fonctionne le simulateur quantique à piège d’ions ?

Le simulateur quantique à piège d’ions imite un véritable matériau en le recréant particule par particule et en l’étudiant dans un environnement de laboratoire contrôlé.

4. Qu’est-ce qu’un profil de température dans un système quantique ?

Un profil de température est une caractéristique attribuée à des sous-régions d’un système de nombreuses particules intriquées. Ces profils peuvent être utilisés pour déduire le degré d’intrication des particules.

5. Quelles sont les perspectives offertes par cette nouvelle approche ?

Les méthodes développées fournissent un outil puissant pour étudier l’intrication à grande échelle dans la matière quantique corrélée, ouvrant la porte à l’étude d’une nouvelle classe de phénomènes physiques avec des simulateurs quantiques déjà disponibles aujourd’hui.

Principaux enseignements

Références

Légende illustration principale : Les profils de température obtenus par les chercheurs montrent que les particules qui interagissent fortement avec l’environnement sont « chaudes » (rouge) et celles qui interagissent peu sont « froides » (bleu). L’intrication est donc importante là où l’interaction entre les particules est forte. Crédit : Helene Hainzer

Publication: Exploring Large-Scale Entanglement in Quantum Simulation. Manoj K. Joshi*, Christian Kokail*, Rick van Bijnen*, Florian Kranzl, Torsten V. Zache, Rainer Blatt, Christian F. Roos, and Peter Zoller. Nature 2023 DOI: 10.1038/s41586-023-06768-0 [arXiv: 2306.00057]

Article : « Exploring Large-Scale Entanglement in Quantum Simulation » – DOI: 10.1038/s41586-023-06768-0