Dans le problème du point de changement quantique, une source quantique émet des particules qui sont reçues par un détecteur. A un moment inconnu, un changement se produit dans l'état des particules émises. Les physiciens ont découvert que les méthodes de mesure globales, qui utilisent des répéteurs quantiques, surpassent toutes les méthodes de mesure classiques pour identifier avec précision le moment où le changement s'est produit. Crédit :Sentis et al. ©2016 Société américaine de physique
(Phys.org) - Le problème du point de changement est un concept statistique qui apparaît dans une grande variété de situations du monde réel, des marchés boursiers au repliement des protéines. L'idée est de détecter le point exact où un changement soudain s'est produit, qui pourrait indiquer, par exemple, le déclencheur d'une crise financière ou d'une étape protéique mal repliée.
Maintenant dans un nouvel article publié dans Lettres d'examen physique , physiciens Gael Sentís et al . ont amené le problème du point de changement dans le domaine quantique.
"Notre travail établit une étape importante dans la théorie de l'information quantique en portant un outil fondamental d'analyse statistique classique dans une configuration entièrement quantique, " Sentis, à l'Université du Pays Basque à Bilbao, Espagne, Raconté Phys.org .
"Avec un nombre toujours croissant d'applications prometteuses des technologies quantiques dans toutes sortes de traitement de données, construire une boîte à outils statistique quantique capable de traiter des problèmes pratiques du monde réel, dont la détection de point de changement est un exemple frappant, sera cruciale. Dans notre papier, nous démontrons les principes de fonctionnement de la détection des points de changement quantique et facilitons les recherches sur les points de changement dans les scénarios appliqués. »
Bien que les problèmes de points de changement puissent traiter des situations très complexes, ils peuvent également être compris avec le simple exemple de jouer à pile ou face. Ce jeu commence avec une pièce de monnaie équitable, mais à un moment inconnu du jeu, la pièce est échangée avec une pièce biaisée. En analysant statistiquement les résultats de chaque tirage au sort depuis le début, il est possible de déterminer le point le plus probable auquel la pièce a été échangée.
En étendant ce problème au domaine quantique, les physiciens ont examiné un appareil quantique qui émet des particules dans un certain état, mais à un moment inconnu, la source commence à émettre des particules dans un état différent. Ici, le problème du point de changement quantique peut être compris comme un problème de discrimination d'état quantique, puisque déterminer quand le changement de la source s'est produit revient à distinguer parmi toutes les séquences possibles d'états quantiques des particules émises.
Les physiciens peuvent déterminer le point de changement dans cette situation de deux manières différentes :soit en mesurant l'état de chaque particule dès son arrivée au détecteur (une "mesure locale"), soit en attendant que toutes les particules aient atteint le détecteur et en effectuant une mesure à la toute fin (une "mesure globale").
Bien que la méthode de mesure locale semble attrayante car elle peut potentiellement détecter le point de changement dès qu'il se produit sans attendre que toutes les particules soient émises, les chercheurs ont découvert que les mesures globales surpassent même les meilleures stratégies de mesure locales.
Le « hic » est que les mesures globales sont plus difficiles à réaliser expérimentalement et nécessitent une mémoire quantique pour stocker les états quantiques lorsqu'ils arrivent au détecteur un par un. Les méthodes de mesure locales ne nécessitent pas de mémoire quantique, et peut à la place être implémenté en utilisant des dispositifs beaucoup plus simples en séquence. Puisque la détection globale nécessite une mémoire quantique, les résultats montrent que la détection de point de changement est un autre des nombreux problèmes pour lesquels les méthodes quantiques surpassent toutes les méthodes classiques.
« Nous nous attendions à ce que les mesures mondiales aident, comme les opérations quantiques cohérentes ont tendance à exploiter des ressources véritablement quantiques et surpassent généralement les opérations locales dans de nombreuses tâches de traitement de l'information, " dit Sentis. " Cependant, il s'agit d'un avantage dépendant du cas, et parfois des stratégies locales sophistiquées et astucieuses suffisent à combler le fossé. Le fait qu'il existe ici un écart de performance fini dit quelque chose de fondamental sur la détection des points de changement dans les scénarios quantiques."
Les résultats ont des applications potentielles dans toute situation impliquant l'analyse de données collectées au fil du temps. La détection de point de changement est également souvent utilisée pour diviser un échantillon de données en sous-échantillons qui peuvent ensuite être analysés individuellement.
« La capacité de détecter avec précision les points de changement quantique a un impact immédiat sur tout processus nécessitant un contrôle minutieux des informations quantiques, " a déclaré Sentis. " Il peut être considéré comme un appareil de test de qualité pour toute tâche de traitement de l'information qui nécessite (ou produit) une séquence d'états quantiques identiques. Les applications peuvent aller du sondage des fibres optiques quantiques à la détection des limites dans les systèmes à semi-conducteurs."
À l'avenir, les chercheurs prévoient d'explorer les nombreuses applications de la détection de point de changement quantique.
"Nous prévoyons d'étendre nos méthodes théoriques pour traiter des scénarios plus réalistes, " dit Sentis. " Les possibilités sont innombrables. Quelques exemples de généralisations que nous explorons sont de multiples points de changement, états quantiques bruyants, et la détection des points de changement dans les configurations optiques."
