Les physiciens du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont trouvé un moyen de lier les propriétés mécaniques quantiques d'un groupe d'atomes entre eux bien plus rapidement qu'il n'est actuellement possible, fournissant potentiellement un outil pour des applications de détection et d'informatique quantique de haute précision. Le NIST a déposé un brevet sur la méthode, qui est détaillé dans un nouvel article dans Lettres d'examen physique .

La méthode, qui n'a pas encore été démontré expérimentalement, accélérerait essentiellement le processus d'intrication quantique dans lequel les propriétés de plusieurs particules deviennent interconnectées les unes avec les autres. L'intrication se propagerait à travers un groupe d'atomes en beaucoup moins de temps, permettant aux scientifiques de construire un système enchevêtré exponentiellement plus rapidement que ce qui est courant aujourd'hui.

Des réseaux d'atomes intriqués suspendus dans des faisceaux de lumière laser, connu sous le nom de réseaux optiques, sont une approche pour créer les centres logiques des prototypes d'ordinateurs quantiques, mais un état intriqué est difficile à maintenir plus que brièvement. L'application de la méthode à ces réseaux pourrait donner aux scientifiques un temps précieux pour en faire plus avec ces réseaux d'atomes avant que l'enchevêtrement ne soit perdu dans un processus connu sous le nom de décohérence.

La méthode tire parti d'une relation physique entre les atomes appelée interaction dipolaire, qui permet aux atomes de s'influencer sur de plus grandes distances qu'auparavant. Alexey Gorshkov de l'équipe de recherche compare cela au partage de balles de tennis entre un groupe de personnes. Alors que les méthodes précédentes permettaient essentiellement aux gens de passer des balles de tennis uniquement à une personne debout à côté d'eux, la nouvelle approche permettrait à un individu de les jeter aux gens de l'autre côté de la pièce.

"Ce sont ces interactions dipolaires à longue portée en 3-D qui vous permettent de créer un enchevêtrement beaucoup plus rapidement que dans les systèmes avec des interactions à courte portée, " dit Gorchkov, un physicien théoricien au NIST et au Joint Center for Quantum Information and Computer Science et au Joint Quantum Institute, qui sont des collaborations entre le NIST et l'Université du Maryland. "Évidemment, si tu peux lancer des trucs directement sur des gens qui sont loin, vous pouvez répandre les objets plus rapidement."

L'application de la technique se concentrerait sur l'ajustement de la synchronisation des impulsions de lumière laser, allumer et éteindre les lasers selon des motifs et des rythmes particuliers pour transformer rapidement les atomes suspendus en un système enchevêtré cohérent.

L'approche pourrait également trouver une application dans les capteurs, qui pourraient exploiter l'enchevêtrement pour atteindre une sensibilité bien plus grande que les systèmes classiques. Alors que la détection quantique améliorée par l'intrication est un domaine jeune, il peut permettre la numérisation haute résolution d'objets minuscules, comme distinguer de légères différences de température entre les parties d'une cellule vivante individuelle ou effectuer une imagerie magnétique de son intérieur.

Gorshkov a déclaré que la méthode s'appuie sur deux études des années 1990 dans lesquelles différents chercheurs du NIST ont envisagé la possibilité d'utiliser un grand nombre d'objets minuscules, tels qu'un groupe d'atomes, comme capteurs. Les atomes pourraient mesurer les propriétés d'un champ magnétique proche, par exemple, parce que le champ changerait les niveaux d'énergie de leurs électrons. Ces efforts antérieurs ont montré que l'incertitude de ces mesures serait avantageusement plus faible si les atomes étaient tous intriqués, plutôt que simplement un tas d'objets indépendants qui se trouvaient à proximité les uns des autres.

"L'incertitude est la clé ici, " dit Gorshkov. " Vous voulez que cette incertitude soit aussi faible que possible. Si les atomes sont enchevêtrés, vous avez moins d'incertitude sur la magnitude de ce champ magnétique."

Amener les atomes dans un état intriqué plus rapidement serait un avantage potentiel dans toute application pratique, notamment parce que l'enchevêtrement peut être éphémère.

Lorsqu'un groupe d'atomes est intriqué, l'état quantique de chacun est lié aux autres de sorte que l'ensemble du système possède un seul état quantique. Cette connexion peut exister même si les atomes sont séparés et complètement isolés les uns des autres (d'où la célèbre description d'Einstein comme "action effrayante à distance"), mais l'enchevêtrement est aussi une condition assez fragile. La difficulté de le maintenir parmi un grand nombre d'atomes a ralenti le développement de technologies basées sur l'intrication telles que les ordinateurs quantiques.

"Les états intriqués ont tendance à se désintégrer et redevenir un tas d'atomes indépendants ordinaires, " a déclaré Gorshkov. " Les gens savaient comment créer un enchevêtrement, mais nous avons cherché un moyen de le faire plus rapidement."

Si la méthode peut être démontrée expérimentalement, cela pourrait donner plus de temps au processeur d'un ordinateur quantique pour qu'il dépasse la décohérence, ce qui menace de faire s'effondrer un calcul avant que les qubits puissent terminer leur travail. Il réduirait également l'incertitude s'il est utilisé dans des applications de détection.

"Nous pensons que c'est un moyen pratique d'augmenter la vitesse d'enchevêtrement, " a déclaré Gorshkov. " C'était assez cool pour breveter, donc nous espérons qu'il s'avérera commercialement utile à quelqu'un."