Les physiciens développent des simulateurs quantiques, pour aider à résoudre des problèmes qui sont hors de portée des ordinateurs conventionnels. Cependant, ils ont d'abord besoin de nouveaux outils pour s'assurer du bon fonctionnement des simulateurs. des chercheurs d'Innsbruck autour de Rainer Blatt et Christian Roos, en collaboration avec des chercheurs des universités d'Ulm et de Strathclyde, ont maintenant mis en œuvre une nouvelle technique en laboratoire qui peut être utilisée pour caractériser efficacement les états complexes des simulateurs quantiques. La technique, appelée tomographie d'état de produit matriciel, pourrait devenir un nouvel outil standard pour caractériser les simulateurs quantiques.

De nombreux phénomènes du monde quantique ne peuvent pas être étudiés directement en laboratoire, et même les supercalculateurs échouent lorsqu'ils essaient de les simuler. Cependant, les scientifiques sont désormais capables de contrôler très précisément divers systèmes quantiques en laboratoire et ces systèmes peuvent être utilisés pour simuler d'autres systèmes quantiques. De tels simulateurs quantiques sont donc considérés comme l'une des premières applications concrètes de la deuxième révolution quantique.

Cependant, la caractérisation des grands états quantiques, qui est nécessaire pour guider le développement de simulateurs quantiques à grande échelle, s'avère difficile. L'étalon-or actuel pour la caractérisation de l'état quantique en laboratoire - la tomographie à l'état quantique - ne convient qu'aux petits systèmes quantiques composés d'une poignée de particules quantiques. Des chercheurs de l'Institut de physique expérimentale de l'Université d'Innsbruck et de l'Institut d'optique quantique et d'information quantique de l'Académie autrichienne des sciences ont maintenant établi une nouvelle méthode en laboratoire qui peut être utilisée pour caractériser efficacement les grands états quantiques.

Un effort de collaboration

Dans les pièges à ions, les atomes chargés (ions) sont refroidis à des températures proches du zéro absolu et manipulés à l'aide de lasers. De tels systèmes représentent une approche prometteuse pour effectuer des simulations quantiques qui peuvent aller au-delà des capacités des supercalculateurs modernes. Les physiciens quantiques d'Innsbruck comptent parmi les leaders mondiaux dans ce domaine et peuvent actuellement enchevêtrer 20 ions ou plus dans leurs pièges. Afin de caractériser pleinement ces grands systèmes quantiques, ils ont besoin de nouvelles méthodes. Pour ça, théoriciens autour de Martin Plenio de l'Université d'Ulm, Allemagne, est venu à leur secours. En 2010, l'équipe Plenio a proposé une nouvelle méthode de caractérisation des états quantiques complexes appelée tomographie matrice-produit-état. En utilisant cette méthode, l'état d'un groupe de particules quantiques enchevêtrées peut être estimé avec précision sans que l'effort n'augmente considérablement à mesure que le nombre de particules dans le groupe augmente. En collaboration avec les équipes autour de Martin Plenio d'Ulm et Andrew Daley de l'Université de Strathclyde en Ecosse, les physiciens expérimentateurs d'Innsbruck autour de Christian Roos, Ben Lanyon et Christine Maier ont désormais mis en œuvre cette procédure au laboratoire.

Des mesures plus efficaces

Comme cas de test, les physiciens ont construit un simulateur quantique avec jusqu'à 14 bits quantiques (atomes), qui a d'abord été préparé dans un état initial simple sans corrélations quantiques. Prochain, les chercheurs ont enchevêtré les atomes avec une lumière laser et observé la propagation dynamique de l'intrication dans le système. "Avec la nouvelle méthode, nous pouvons déterminer l'état quantique de l'ensemble du système en ne mesurant qu'une petite fraction des propriétés du système, " déclare Ben Lanyon, lauréat du prix START. Les théoriciens autour de Martin Plenio ont pris la caractérisation de l'état quantique global à partir des données mesurées :dans le laboratoire."

Lorsque le groupe de travail de Rainer Blatt a réalisé le premier octet quantique en 2005, plus de 6, 000 mesures ont été nécessaires pour la caractérisation de l'état quantique, prise sur une période de dix heures. La nouvelle méthode ne nécessite que 27 mesures pour caractériser le même système de taille, pris environ 10 minutes. "Nous avons pu montrer que cette méthode peut être utilisée pour identifier efficacement des états quantiques grands et complexes, " dit Christine Maier, un membre de l'équipe d'Innsbruck. Maintenant, les scientifiques souhaitent développer davantage les algorithmes afin qu'ils puissent également être utilisés de manière flexible par d'autres groupes de recherche.

Nouvel étalon-or

La nouvelle méthode permet la caractérisation complète de systèmes contenant un grand nombre de particules quantiques corrélées et fournit ainsi une option de comparaison pour les simulations quantiques. "Nous pouvons utiliser la nouvelle technique pour calibrer les simulateurs quantiques, en comparant les états que l'on trouve en laboratoire avec ceux attendus des calculs analytiques, " explique Christian Roos. " On sait alors si le simulateur fait ce qu'on veut. " La nouvelle méthode offre aux médecins un outil pour de nombreuses applications et pourrait devenir un nouveau standard pour les simulations quantiques.