Le laboratoire de recherche de l'armée américaine et ses partenaires ont fait une percée dans la compréhension de la structure de l'intrication dans les systèmes quantiques avec des interactions à longue distance.

Enchevêtrement, les chercheurs disent, est une ressource cruciale qui peut être exploitée pour une communication ultra-sécurisée, mesure « fantastiquement précise », horloges exquises et autres chronométrages, ainsi que des ordinateurs dotés d'une puissance sans précédent.

Mécanique quantique, ou la théorie physique qui régit le monde microscopique, prédit de nombreux comportements étranges et contre-intuitifs, a déclaré le physicien de l'ARL, le Dr Michael Foss-Feig. "Aussi étrange que ces comportements puissent paraître, il y a peu de doute qu'ils sont réels. Tout au long du XXe siècle, les prédictions de la mécanique quantique ont été testées et vérifiées dans de nombreuses expériences sur des systèmes microscopiques, tels que des atomes individuels."

Foss-Feig a noté qu'au début du 21e siècle, l'une des frontières les plus excitantes de la physique quantique est de contrôler ce comportement étrange si complètement qu'il peut être extrait des systèmes macroscopiques, par exemple des gaz ultra-froids contenant des millions d'atomes. Il a dit que si cela peut être réalisé, une manne d'applications pertinentes pour le DOD suivra.

Le laboratoire s'est associé au Joint Quantum Institute et au Caltech. Leur percée reposait sur la compréhension d'un comportement étrange connu sous le nom d'intrication quantique.

En physique classique, décrire l'état de deux objets n'est pas beaucoup plus difficile que de décrire l'état d'un objet. "Par exemple, si vous et moi avons chacun une ampoule et que nous voulons les décrire tous les deux, nous pourrions dire 'le mien est allumé, et le tien est éteint', et cela arrangerait les choses. Mais si ces ampoules s'emmêlent, alors ni l'un ni l'autre ne peut être dit allumé ou éteint, et dans un certain sens, chacun peut être à la fois allumé et éteint en même temps, " expliqua-t-il. " Au lieu d'attribuer à chaque ampoule un état défini de " allumé " ou " éteint ", nous devons décrire à quel point il est probable que nous ayons chaque combinaison possible de « on » et « arrêt ».

Dans les systèmes macroscopiques constitués de nombreux objets quantiques, les conséquences de l'enchevêtrement sont profondes, il a dit.

Alors que la stratégie classique pour décrire de nombreuses ampoules est encore simple ("la première est allumée, le suivant est éteint..., le dernier est allumé"), une collection d'ampoules enchevêtrées doit être décrite en attribuant une probabilité à toutes les manières possibles d'allumer les ampoules. Parce que le nombre de façons dont de nombreuses ampoules peuvent être allumées ou éteintes augmente très rapidement (de façon exponentielle) avec le nombre d'ampoules, les grands systèmes quantiques contiennent beaucoup plus d'informations que les systèmes classiques de taille comparable. Cette étrange observation joue un rôle crucial dans la capacité des grands systèmes quantiques à effectuer des tâches difficiles, mais cela cause aussi de profondes difficultés à décrire et à prédire leur comportement.

Peut-être que l'aperçu le plus profond de l'enchevêtrement fait au cours des dernières décennies est que l'exemple de l'ampoule est souvent trop naïf.

"Il existe en fait une structure simplificatrice des schémas d'intrication qui peuvent se former dans des systèmes physiques "raisonnables", tels que ceux dans lesquels les particules n'interagissent que sur de courtes distances, " dit Foss-Feig. " Cette structure, appelé la "loi régionale", dit que l'enchevêtrement est une propriété locale. Par conséquent, les grands systèmes, s'ils obéissent à la loi des aires, ne sont pas beaucoup plus difficiles à décrire que les petits systèmes. Cette structure suggère également que si nous voulons exploiter de grands systèmes quantiques comme outils pour effectuer des tâches difficiles, il peut être utile de les concevoir pour qu'elles soient (au moins légèrement) « déraisonnables ». »

Foss-Feig a déclaré qu'une façon très naturelle de le faire est de doter un système quantique d'interactions à longue portée.

"Par exemple, un gaz de molécules peut être polarisé par un champ électrique afin qu'ils interagissent sur de longues distances comme de minuscules dipôles électriques, " il a dit.

Mais la durée de ces interactions avant qu'un système ne se libère de la loi de l'aire est une question difficile à laquelle l'équipe de recherche conjointe espère répondre.

Dans un article récent publié dans la revue Lettres d'examen physique , les chercheurs ont fait un premier pas important vers une réponse en fournissant une preuve mathématique que les systèmes avec des interactions à longue portée obéissent toujours à la loi des aires tant que les interactions ne sont pas à trop longue portée. Ce travail aide à cerner la ligne insaisissable qui différencie les systèmes quantiques qui peuvent être efficacement décrits de ceux qui ne le peuvent pas. À l'avenir, les auteurs espèrent exploiter la structure de cette preuve pour mieux comprendre les ingrédients minimaux nécessaires pour concevoir des systèmes quantiques possédant un enchevêtrement plus (et plus complexe).