La tomographie de spin nucléaire est une application en médecine. Le patient absorbe et réémet un rayonnement électromagnétique dans toutes les directions, qui est détecté et reconstruit sous forme d'images 3D ou d'images de tranches 2D. Dans un laboratoire de sciences fondamentales, la tomographie d'état quantique est le processus de caractérisation complète de l'état quantique d'un objet tel qu'il est émis par sa source, avant qu'une éventuelle mesure ou interaction avec l'environnement n'ait lieu.

Cette technique est devenue un outil essentiel dans le domaine émergent des technologies quantiques. Le cadre théorique de la tomographie d'état quantique remonte aux années 1970. Ses implémentations expérimentales sont aujourd'hui réalisées en routine dans une grande variété de systèmes quantiques. Le principe de base de la tomographie d'état quantique est d'effectuer à plusieurs reprises des mesures à partir de différentes directions spatiales sur des systèmes quantiques afin d'identifier de manière unique l'état quantique du système. Cela nécessite beaucoup de post-traitement informatique des données mesurées pour déduire l'état quantique initial des résultats de mesure observés.

Par conséquent, en 2011, un roman, Une méthode tomographique plus directe a été établie pour déterminer l'état quantique sans avoir besoin de post-traitement. Cependant, cette nouvelle méthode présentait un inconvénient majeur :elle utilise des mesures peu perturbatrices, mesures dites faibles, pour déterminer l'état quantique du système. L'idée de base derrière les mesures faibles est d'obtenir très peu d'informations sur le système observé en gardant la perturbation du processus de mesure négligeable. D'habitude, faire une mesure a un impact énorme sur un système quantique, provoquant la disparition irrémédiable des phénomènes quantiques tels que l'intrication ou l'interférence.

Étant donné que la quantité d'informations obtenues via cette procédure est très faible, les mesures doivent être répétées plusieurs fois, un énorme inconvénient de cette procédure de mesure dans les applications pratiques. Une équipe de recherche de l'Institut de physique atomique et subatomique de la TU Wien dirigée par Stephan Sponar a réussi à combiner ces deux méthodes. « Nous avons pu développer davantage la méthode établie afin que le besoin de mesures faibles devienne obsolète. Ainsi, nous avons pu intégrer l'habituel, mesures dites fortes, dans la procédure de mesure directe de l'état quantique. Par conséquent, il est possible de déterminer l'état quantique avec une précision et une exactitude plus élevées dans un temps beaucoup plus court par rapport à l'approche avec des mesures faibles - une avancée énorme, ", explique Tobias Denkmayr, le premier auteur de l'article. Ces résultats sont maintenant publiés dans la revue Lettres d'examen physique .

L'interférométrie neutronique, la nouvelle méthode de choix

Un test expérimental du nouveau schéma dans une expérience interférométrique neutronique a été réalisé par Sponar et son équipe. Il est basé sur la nature ondulatoire des neutrons, qui sont des constituants nucléaires massifs formant près des deux tiers de l'univers. Néanmoins, s'ils sont isolés du noyau atomique, par exemple, dans le processus de fission d'un réacteur de recherche, ils se comportent comme des ondes. Ce phénomène est généralement appelé dualité onde-particule, qui est expliqué dans le cadre de la mécanique quantique. A l'intérieur de l'interféromètre, un faisceau incident est divisé en deux faisceaux séparés par un mince, plaque de cristal de silicium parfaite. Les faisceaux voyagent le long de différents chemins dans l'espace, et à un moment donné sont recombinés et autorisés à interférer. L'expérience a été réalisée à la source de neutrons de l'Institut Laue-Langevin (ILL) à Grenoble, où le groupe de l'Institut de physique atomique et subatomique est en charge d'un port permanent de faisceau.

Il est important de noter que les résultats ne se limitent pas au système quantique formé de neutrons simples, mais sont, En réalité, complètement général. Par conséquent, ils peuvent être appliqués à de nombreux autres systèmes quantiques tels que les photons, ions piégés ou qubits supraconducteurs. Les résultats pourraient avoir un impact important sur la façon dont l'estimation de l'état quantique sera effectuée à l'avenir et pourraient être exploités dans les technologies en évolution rapide appliquées à la science de l'information quantique.