Une nouvelle recette simple pour des états quantiques fortement intriqués

Sarah C.P. Williams

Construire des technologies quantiques utiles – des capteurs aux ordinateurs – nécessite de générer des états intriqués hautement complexes, dans lesquels les propriétés des particules sont profondément liées. 

Maintenant, des chercheurs de la Pritzker School of Molecular Engineering de l’Université de Chicago (UChicago PME) ont trouvé une méthode étonnamment simple pour créer et contrôler une large variété d’états quantiques intriqués. Leur approche théorique, décrite dans la revue Physical Review X, repose sur des outils expérimentaux déjà courants dans les laboratoires de physique quantique et a des applications immédiates pour les technologies de détection ultraprécise et la physique fondamentale.

« Nous voulions prendre des ingrédients simples que l’on trouve dans de nombreuses plateformes physiques et les assembler de manière minimale pour obtenir quelque chose d’intéressant, de complexe et de puissant », a déclaré Aashish Clerk, professeur d’ingénierie moléculaire à l’UChicago PME et auteur principal de la nouvelle étude.

L’étude est soutenue par Q-NEXT, un centre national de recherche en sciences de l’information quantique du Département américain de l’énergie (DOE) dirigé par le laboratoire national d’Argonne du DOE.

Une cavité optique avec une touche d’originalité

Le point de départ des nouveaux états intriqués est une plateforme expérimentale bien établie appelée électrodynamique quantique en cavité, ou QED en cavité. Dans ces systèmes, des atomes ou d’autres particules sont placés à l’intérieur d’une cavité optique — une chambre formée par deux miroirs. Les particules interagissent avec la lumière confinée dans la cavité optique. 

Dans la plupart des systèmes QED en cavité, tous les atomes interagissent avec la lumière confinée de manière identique, ce qui les rend indiscernables les uns des autres. Cette symétrie limite la gamme d’états quantiques que le système peut produire. 

« Le défi a toujours été que ces systèmes ont trop de symétrie. Tous les atomes parlent à la lumière de la même manière », a expliqué Clerk. « Cela restreint vraiment le type d’états intriqués que vous obtenez. »

Chaque atome dans une configuration QED en cavité a un état fondamental et un état excité, séparés par une différence d’énergie.

Le groupe de Clerk a eu une idée pour briser cette symétrie de manière simple : alors que tous les atomes sont pilotés par un laser commun, les scientifiques utilisent un champ magnétique supplémentaire ou des lasers supplémentaires pour ajuster l’énergie de l’état excité de différents groupes d’atomes les uns par rapport aux autres. Les chercheurs ont arrangé le système de sorte que chaque atome soit apparié avec un autre dont le décalage d’énergie est égal et opposé. Cela donne aux particules des identités distinctes tout en permettant une structure suffisante pour que le système se comporte de manière prévisible. En changeant quels atomes reçoivent différentes attributions d’énergie, les chercheurs peuvent accorder tout le système pour produire une gamme d’états différents, sans modifier aucun composant physique.

« Vous tournez ces lasers et attendez, et à un moment donné, le système se stabilise dans un état quantique intriqué intéressant et hautement complexe », a déclaré Anjun Chu, chercheur postdoctoral dans le groupe de Clerk et premier auteur de ces nouveaux travaux. « En ajustant simplement les lasers, nous pouvons accéder à des types d’états intriqués auxquels personne n’avait pensé auparavant. »

Détection des différences

L’une des applications les plus importantes du nouveau système est la détection quantique, a déclaré Clerk. Les états intriqués peuvent, en principe, détecter de minuscules différences dans les champs magnétiques ou gravitationnels entre deux endroits. Mais générer des états intriqués hautement sensibles, robustes au bruit et faciles à mesurer a été un défi majeur non résolu dans le domaine.

Clerk, Chu et leurs collègues ont montré comment une version de leur nouveau système proposé QED en cavité — impliquant deux ensembles d’atomes — pourrait être utilisée pour mesurer un gradient dans les champs magnétiques ou gravitationnels. Placés à deux endroits, les états quantiques finaux des systèmes refléteraient les différences entre les champs locaux tout en restant insensibles au bruit de fond qui affecte les deux endroits de manière égale. 

« Vous êtes capable de faire deux choses qui ne sont normalement pas compatibles l’une avec l’autre : utiliser l’intrication pour construire un capteur extrêmement sensible mais aussi avoir une robustesse face à des quantités arbitrairement grandes de bruit », a expliqué Clerk. « Normalement, l’intrication est très fragile. Cette approche possède une résilience étonnante. »

Il est important de noter que l’extraction d’informations à partir de ces états ne nécessite pas de mesures exotiques. Les techniques standard connues sous le nom de mesures de Ramsey suffisent à lire les états quantiques. 

Prochaines étapes

Au-delà de la détection, les chercheurs ont montré que la même plateforme peut produire des états quantiques exotiques d’un grand intérêt pour les physiciens. Un exemple est l’état AKLT — un célèbre état intriqué à plusieurs corps, décrit pour la première fois dans les années 1980 comme un moyen de décrire des matériaux magnétiques exotiques. L’équipe a montré que leur montage simple peut stabiliser cet état, qui, en plus de sa pertinence pour les matériaux magnétiques complexes, est potentiellement utile dans l’informatique quantique.

Les travaux sont actuellement théoriques, et les chercheurs sont en discussions avec des groupes expérimentaux pour mettre en œuvre et tester ces idées. Ils explorent également des manières plus complexes d’arranger les atomes dans le système et travaillent à cartographier plus complètement les états quantiques que la méthode peut générer.

« Le fait que des ingrédients aussi simples puissent générer des états quantiques aussi complexes et utiles nous donne l’espoir que, avant même d’atteindre le rêve d’un ordinateur quantique universel polyvalent, nous pouvons déjà générer des états quantiques qui nous permettent de faire des choses que nous ne pourrions pas faire dans un monde purement classique », a déclaré Clerk. 

Citation : « Reconfigurable dissipative entanglement between many spin ensembles: from robust quantum sensing to many-body state engineering, » Chu et al, Physical Review X, 1er juin 2026. DOI : 10.1103/qdh9-2pc7

Ce matériel est basé sur des travaux soutenus par le Bureau des sciences du Département de l’énergie des États-Unis, les Centres nationaux de recherche en sciences de l’information quantique, dans le cadre du centre Q-NEXT.

Article : Reconfigurable dissipative entanglement between many spin ensembles: from robust quantum sensing to many-body state engineering – Journal : Physical Review X – DOI : Lien vers l’étude

Source : Chicago U.