Visualisation d'un intrication bipartite hybride entre un photon unique (bleu) et une excitation d'onde de spin atomique à l'intérieur d'une cellule de verre à mémoire quantique, confirmé par la suite dans le processus de détection d'un deuxième photon (rouge). La configuration présentée permet la démonstration du paradoxe d'Einstein-Podolsky-Rosen avec des positions et des impulsions réelles. (Source :UW Physics, Michal Dabrowski) Crédit :UW Physics, Michal Dabrowski
Un groupe de chercheurs de la Faculté de physique de l'Université de Varsovie a apporté un éclairage nouveau sur le célèbre paradoxe d'Einstein, Podolsky et Rosen après 80 ans. Ils ont créé un état intriqué multidimensionnel d'un seul photon et d'un billion d'atomes de rubidium chauds, et stocké cet enchevêtrement hybride en laboratoire pendant plusieurs microsecondes. La recherche a été publiée dans Optique .
Dans leur célèbre Examen physique article, publié en 1935, Einstein, Podolsky et Rosen ont considéré la désintégration d'une particule en deux produits. Dans leur expérience de pensée, deux produits de désintégration ont été projetés dans des directions exactement opposées - ou plus scientifiquement parlant, leurs impulsions étaient anticorrélées. Sans être un mystère dans le cadre de la physique classique, en appliquant les règles de la théorie quantique, les trois chercheurs sont arrivés à un paradoxe. Le principe d'incertitude de Heisenberg, dicter que la position et la quantité de mouvement d'une particule ne peuvent pas être mesurées en même temps, est au centre de ce paradoxe. Dans l'expérience de pensée d'Einstein, il est possible de mesurer la quantité de mouvement d'une particule et de connaître immédiatement la quantité de mouvement de l'autre sans mesure, car c'est exactement le contraire. Puis, en mesurant la position de la deuxième particule, le principe d'incertitude de Heisenberg est apparemment violé, un paradoxe apparent qui déconcerta sérieusement les trois physiciens.
Nous savons maintenant que cette expérience n'est pas, En réalité, un paradoxe. L'erreur d'Einstein et de ses collègues était d'appliquer l'incertitude d'une particule à un système de deux particules. Si nous traitons ces deux particules comme décrites par un seul état quantique, nous apprenons que le principe d'incertitude originel cesse de s'appliquer, surtout si ces particules sont enchevêtrées.
À partir de la droite :Michal Parniak utilise le laser vert pour faire briller la cellule de verre avec une mémoire quantique, tenue par Wojciech Wasilewski. Michal Dabrowski effectue une mesure simultanée de la position et de la quantité de mouvement des photons générés à l'intérieur de la mémoire. (Source :UW Physics, Mateusz Mazelanik) Crédit :UW Physics, Mateusz Mazelanik
Dans le Quantum Memory Laboratory de l'Université de Varsovie, le groupe de trois physiciens a été le premier à créer un tel état intriqué, qui consistait en un objet macroscopique - un groupe d'environ mille milliards d'atomes, et un seul photon. "Photons uniques, diffusé lors de l'interaction d'un faisceau laser avec des atomes, sont enregistrés sur une caméra sensible. Un seul photon enregistré transporte des informations sur l'état quantique de l'ensemble du groupe d'atomes. Les atomes peuvent être stockés, et leur état peut être récupéré sur demande, " dit Michal Dabrowski, doctorat étudiant et co-auteur de l'article.
Les résultats de l'expérience confirment que les atomes et le photon unique sont dans un état d'intrication conjointe. En mesurant la position et la quantité de mouvement du photon, les chercheurs ont acquis toutes les informations sur l'état des atomes. Pour le confirmer, les scientifiques polonais ont converti l'état atomique en un autre photon, qui a été mesurée à l'aide de la même caméra de pointe.
"Nous avons démontré le paradoxe apparent d'Einstein-Podolsky-Rosen dans une version très similaire à celle initialement proposée en 1935, mais nous avons étendu l'expérience en ajoutant le stockage de la lumière au sein du grand groupe d'atomes. Les atomes stockent le photon sous la forme d'une onde composée de spins atomiques contenant mille milliards d'atomes. Un tel état est très robuste contre la perte d'un seul atome, comme l'information est répartie sur tant de particules, " dit Michal Parniak, doctorat étudiant participant à l'étude.
L'expérience est unique d'une autre manière, également. La mémoire quantique stockant l'état intriqué permet de stocker jusqu'à 12 photons à la fois. Cette capacité renforcée est prometteuse en termes d'applications dans le traitement de l'information quantique. "L'intrication multidimensionnelle est stockée dans notre appareil pendant plusieurs microsecondes, ce qui est environ mille fois plus long que dans toutes les expériences précédentes, et en même temps, assez longtemps pour effectuer des opérations quantiques subtiles sur l'état atomique pendant le stockage, " explique le Dr Wojciech Wasilewski, chef de groupe de l'équipe Quantum Memories Laboratory.
L'intrication dans l'espace réel et momentané, décrit dans le Optique article, peut être utilisé conjointement avec d'autres degrés de liberté bien connus tels que la polarisation, permettant la génération de ce qu'on appelle l'hyper-intrication. De telles idées constituent un test nouveau et original des fondements de la mécanique quantique, une théorie sans cesse mystérieuse, offre pourtant d'immenses progrès technologiques.
