(Phys.org)—En mécanique quantique, il est impossible de mesurer précisément et simultanément les propriétés complémentaires (telles que la position et la quantité de mouvement) d'un état quantique. Maintenant dans une nouvelle étude, les physiciens ont cloné des états quantiques et démontré que, parce que les clones sont enchevêtrés, il est possible de mesurer précisément et simultanément les propriétés complémentaires des clones. Ces mesures, à son tour, révéler l'état du système quantique d'entrée.

La capacité de déterminer les propriétés complémentaires des états quantiques de cette manière a non seulement des implications pour la compréhension de la physique quantique fondamentale, mais a également des applications potentielles pour l'informatique quantique, cryptographie quantique, et d'autres technologies.

Les physiciens, Guillame S. Thekkadath et coauteurs à l'Université d'Ottawa, Ontario, ont publié un article sur la détermination des propriétés complémentaires des clones quantiques dans un récent numéro de Lettres d'examen physique .

Comme l'expliquent les physiciens, dans le monde classique, il est possible de mesurer simultanément les états complémentaires d'un système avec une précision exacte, et cela révèle l'état du système. Mais comme Heisenberg l'a théoriquement proposé en 1927 lorsqu'il a commencé à développer son célèbre principe d'incertitude, toute mesure effectuée sur un système quantique induit une perturbation sur ce système.

Cette perturbation est la plus importante lors de la mesure de propriétés complémentaires. Par exemple, mesurer la position d'une particule va perturber sa quantité de mouvement, changer son état quantique. Ces mesures conjointes intriguent les physiciens depuis l'époque de Heisenberg.

Pour contourner la difficulté d'effectuer des mesures conjointes, les physiciens ont récemment étudié la possibilité de faire une copie d'un système quantique, puis mesurer indépendamment une propriété sur chaque copie du système. Étant donné que les mesures sont effectuées séparément, on ne s'attendrait pas à ce qu'ils se dérangent, pourtant, ils révéleraient toujours des informations sur le système quantique d'origine, car les copies partagent les mêmes propriétés que l'original.

Cette stratégie rencontre immédiatement une autre restriction quantique :en raison du théorème de non-clonage, il est impossible de faire une copie parfaite d'un état quantique. Donc au lieu, les physiciens de la nouvelle étude ont étudié l'analogue quantique le plus proche de la copie, qui est le clonage optimal. Les parties des états des clones qui partagent exactement les mêmes propriétés que celles de l'état d'entrée sont appelées « jumeaux ».

Alors que les copies parfaites théoriques d'un état quantique ne sont pas corrélées, les jumeaux sont enchevêtrés. Les physiciens ont montré que, à la suite de cet enchevêtrement, mesurer indépendamment les propriétés complémentaires sur chaque jumeau équivaut à mesurer simultanément les propriétés complémentaires de l'état d'entrée. Cela conduit au résultat principal de la nouvelle étude :que mesurer simultanément les propriétés complémentaires des jumeaux donne l'état (techniquement, la fonction d'onde) du système quantique d'origine.

« En mécanique quantique, les mesures perturbent l'état du système mesuré, " Thekkadath dit Phys.org . « C'est un obstacle auquel les physiciens sont confrontés lorsqu'ils tentent de caractériser des systèmes quantiques tels que des photons uniques. Dans le passé, les physiciens ont utilisé avec succès des mesures très douces (appelées mesures faibles) pour contourner cette perturbation.

"En tant que tel, notre travail n'est pas le premier à déterminer des propriétés complémentaires d'un système quantique. Cependant, nous avons montré qu'une stratégie différente peut être utilisée. Il est basé sur une idée assez naïve. Supposons que nous voulions mesurer la position et la quantité de mouvement d'une particule. Sachant que ces mesures vont perturber l'état de la particule, pouvons-nous d'abord copier la particule, et mesurer la position sur une copie et l'élan sur l'autre ? C'était notre motivation initiale. Mais il s'avère que la copie seule ne suffit pas. Les copies mesurées doivent également être enchevêtrées pour que cette stratégie fonctionne.

"C'est ce que nous avons montré expérimentalement. Au lieu de déterminer la position et la quantité de mouvement d'une particule, nous avons déterminé les propriétés de polarisation complémentaires des photons uniques. Vous vous attendriez intuitivement à ce que cette stratégie échoue en raison du théorème de non-clonage. Cependant, nous avons montré que ce n'est pas le cas, et c'est la plus grande signification de notre résultat :la mesure des propriétés complémentaires des jumeaux révèle directement l'état quantique du système copié."

Comme l'expliquent les physiciens, l'un des aspects les plus importants de la démonstration est de contourner les limites du théorème de non-clonage.

« Dans notre vie quotidienne, les informations sont souvent copiées, comme quand on photocopie un document, ou lorsque l'ADN est répliqué dans notre corps, " expliqua Thekkadath. " Cependant, à un niveau quantique, l'information ne peut pas être copiée sans introduire du bruit ou des imperfections. Nous le savons grâce à un résultat mathématique connu sous le nom de théorème de non-clonage. Cela n'a pas empêché les physiciens d'essayer. Ils ont développé des stratégies, connu sous le nom de clonage optimal, qui minimisent la quantité de bruit introduit par le processus de copie. Dans notre travail, nous allons encore plus loin. Nous avons montré qu'il est possible d'éliminer ce bruit de nos mesures sur les copies grâce à une astuce qui a été théoriquement proposée par Holger Hofmann en 2012. Nos résultats ne violent pas le théorème de non-clonage puisque nous ne produisons jamais physiquement de copies parfaites :nous reproduire les résultats de mesure que l'on obtiendrait avec des copies parfaites."

Dans leurs expériences, les physiciens ont démontré la nouvelle méthode en utilisant des jumeaux photoniques, mais ils s'attendent à ce que la capacité de rendre précis, des mesures simultanées de propriétés complémentaires sur des jumeaux peuvent également être mises en œuvre avec des ordinateurs quantiques. Cela pourrait conduire à de nombreuses applications pratiques, comme fournir une méthode efficace pour mesurer directement les états quantiques de grande dimension, qui sont utilisés dans l'informatique quantique et la cryptographie quantique.

"Déterminer l'état d'un système est une tâche importante en physique, " dit Thekkadath. " Une fois qu'un état est déterminé, tout sur ce système est connu. Cette connaissance peut ensuite être utilisée pour, par exemple, prédire les résultats des mesures et vérifier qu'une expérience fonctionne comme prévu. Cette vérification est particulièrement importante lorsque des états compliqués sont produits, tels que ceux nécessaires dans les ordinateurs quantiques ou la cryptographie quantique.

"Typiquement, les états quantiques sont déterminés tomographiquement, un peu comme la façon dont le cerveau est imagé dans une tomodensitométrie. Cette approche a la limitation que l'état est toujours globalement reconstruit. En revanche, notre méthode détermine la valeur des états quantiques en un point quelconque, fournissant une méthode plus efficace et directe que les méthodes conventionnelles pour la détermination de l'état.

"Nous avons démontré expérimentalement notre méthode en utilisant des photons uniques. Mais, notre stratégie est également applicable dans une variété d'autres systèmes. Par exemple, il peut être implémenté dans un ordinateur quantique en n'utilisant qu'une seule porte logique quantique. Nous prévoyons que notre méthode pourrait être utilisée pour caractériser efficacement des états quantiques complexes à l'intérieur d'un ordinateur quantique."

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