La mesure de l'empreinte digitale des états quantiques pourrait aider à se prémunir contre les erreurs et les dispositifs défectueux dans les technologies quantiques. L'existence d'une telle empreinte digitale n'était auparavant connue que pour des cas limités :des chercheurs de Singapour et des États-Unis ont maintenant calculé comment mesurer une empreinte digitale pour tous les états de deux particules intriquées. Les résultats ont été publiés le 26 mai dans Communication Nature . Crédit :Timothy Yeo / Center for Quantum Technologies, université nationale de Singapour
Des chercheurs travaillant à Singapour et aux États-Unis ont découvert que tous les états intriqués de deux particules ont une « empreinte digitale » classique. Cette percée pourrait aider les ingénieurs à se prémunir contre les erreurs et les appareils qui ne tiennent pas leurs promesses en informatique quantique et en cryptographie quantique.
Goh Koon Tong et Valerio Scarani au Center for Quantum Technologies de l'Université nationale de Singapour, avec Andrea Coladangelo au California Institute of Technology, signalé dans Communication Nature le 26 mai qu'un simple ensemble de mesures peut servir de contrôle d'identité pour tout état intriqué à deux particules. La présence de cette empreinte digitale pourrait aider à certifier les ordinateurs quantiques ou les dispositifs de cryptage quantique achetés auprès de tiers.
Un état quantique intriqué est constitué de deux ou plusieurs particules contenues dans une multitude de résultats indécis. De tels états sont le carburant de l'informatique quantique et apportent la sécurité à la communication quantique. Le problème est, il est difficile de vérifier que ces états ont les propriétés qu'on attend d'eux. Cela laisse la porte ouverte aux appareils qui fonctionnent mal.
"J'aime voir notre travail comme apporter la puissance de tester les appareils quantiques aux consommateurs qui les utilisent. Actuellement, seuls ceux qui construisent les appareils ou en comprennent l'aspect technique peuvent effectuer le test, ", explique Goh. Les physiciens quantiques pourraient également utiliser cet outil d'"auto-test" comme étape de contrôle dans les expériences de laboratoire.
Le travail s'appuie sur les résultats d'autres groupes, étendre les résultats pour les qubits aux qudits plus exotiques. Les qudits sont des bits quantiques de dimension supérieure. Plutôt que de simplement stocker un bit d'information binaire - un 0 ou 1 - un qudit a une plus grande densité d'informations, mémoriser un 0, 1, 2, 3, 4, etc. De tels états, bien que difficile à faire, sont intéressants car ils pourraient accélérer certaines tâches de calcul ou de communication.
L'idée d'auto-test est importante car il est généralement difficile d'obtenir beaucoup d'informations sur l'état quantique d'une particule. L'état d'une particule est décrit par une « fonction d'onde » qui code les probabilités des diverses propriétés de la particule, comme la polarisation ou la quantité de mouvement. Pour être sûr d'un état quantique, vous devez connaître toute la fonction d'onde. Cependant, Il y a un problème ici. La mesure de l'état quantique révèle une seule valeur - pas l'ensemble complet des possibilités.
La manière traditionnelle d'essayer d'apprendre l'état quantique complet implique une technique appelée tomographie. Cela nécessite de mesurer de nombreuses copies de l'état quantique de différentes manières, compter tous les résultats des différentes mesures pour donner un ensemble complet de probabilités. Cela implique également un processus laborieux de caractérisation des dispositifs de mesure et de leur alignement avec la source des particules quantiques.
L'autotest est plus efficace, nécessitant moins de mesures. Il est également « indépendant de l'appareil », ou comme la tomographie aveugle - ne nécessitant pas de caractérisation de l'appareil de mesure, tant que l'appareil est garanti pour détecter la plupart des particules. C'est parce que l'empreinte digitale est un modèle de résultats à travers les mesures des deux particules qui ne peuvent être créés de manière cohérente que par les corrélations étranges dans l'état quantique, pas par un procédé classique ou par hasard. Voir ce motif signifie alors que l'état quantique doit être présent.
La célèbre « expérience CHSH » en physique quantique est un exemple de prise d'empreintes digitales pour un état quantique de deux qubits. Pour prouver que les tests d'empreintes digitales existent pour tous les états à deux qudits, les auteurs ont montré que ces états peuvent être considérés comme composés de blocs de systèmes à deux niveaux, semblable aux qubits. Encore mieux, cette équivalence mathématique indique quelles mesures sont nécessaires - bien qu'il ne soit pas encore clair si elles sont expérimentalement conviviales à faire.
L'équipe espère que cette découverte motivera une nouvelle vague de recherche pour trouver des moyens simples d'intégrer ce contrôle dans des expériences ou des dispositifs. Jusque là, les signes sont bons. « De tout mon travail au cours des cinq dernières années, c'est celui qui a le plus attiré l'attention, " dit Scarani. En plus d'entendre des collègues intéressés par le résultat, il a été invité à donner une conférence sur l'autotest à QCrypt, une conférence annuelle sur la cryptographie quantique qui se tiendra cette année au Royaume-Uni en septembre.