Image conceptuelle des nouveaux états quantiques exotiques générés à Innsbruck. La génération de l'intrication quantique dans une chaîne de 20 atomes simples est montrée. Enchevêtrement entre paires d'atomes voisines (bleu), triplets d'atomes (rose), des quadruplés d'atomes (rouge) et des quintuplés (jaune) ont été observés, avant que le système ne devienne trop complexe pour être caractérisé avec les techniques existantes. Crédit :IQOQI Innsbruck/Harald Ritsch
L'intrication est d'une importance capitale pour les nouvelles technologies quantiques du 21e siècle. Une équipe de recherche germano-autrichienne présente maintenant le plus grand registre quantique intriqué de systèmes contrôlables individuellement à ce jour, composé d'un total de 20 bits quantiques. Les physiciens d'Innsbruck, Vienne et Ulm poussent les méthodes expérimentales et théoriques aux limites de ce qui est actuellement possible.
Certaines des nouvelles technologies quantiques allant des capteurs extrêmement précis aux ordinateurs quantiques universels nécessitent un grand nombre de bits quantiques afin d'exploiter les avantages de la physique quantique. Les physiciens du monde entier travaillent donc à la mise en œuvre de systèmes intriqués avec plus de bits quantiques. Le record est actuellement détenu par le groupe de recherche de Rainer Blatt à l'Institut de physique expérimentale de l'Université d'Innsbruck. En 2011, les physiciens ont intriqué 14 bits quantiques adressables individuellement pour la première fois et ont ainsi réalisé le plus grand registre quantique complètement intriqué. Maintenant, une équipe de recherche dirigée par Ben Lanyon et Rainer Blatt à l'Institut d'optique quantique et d'information quantique (IQOQI) de l'Académie autrichienne des sciences, en collaboration avec des théoriciens de l'Université d'Ulm et de l'Institut d'optique quantique et d'information quantique de Vienne, a réalisé un enchevêtrement contrôlé de plusieurs particules dans un système de 20 bits quantiques. Les chercheurs ont pu détecter un véritable enchevêtrement multiparticulaire entre tous les groupes de trois voisins, quatre et cinq bits quantiques.
Véritable intrication multiparticulaire
Physiquement, les particules intriquées ne peuvent pas être décrites comme des particules individuelles avec des états définis, mais seulement en tant que système complet. Il est particulièrement difficile de comprendre l'intrication lorsque de nombreuses particules sont impliquées. Ici, une distinction doit être faite entre l'enchevêtrement de particules individuelles et un véritable enchevêtrement multiparticulaire. Cela ne peut être compris que comme une propriété du système global de toutes les particules concernées, et ne peut pas être expliqué par une combinaison de sous-systèmes enchevêtrés.
À l'Institut d'optique quantique et d'information quantique d'Innsbruck, l'équipe de physiciens a utilisé la lumière laser pour enchevêtrer 20 atomes de calcium dans une expérience de piège à ions et a observé la propagation dynamique de l'intrication multiparticulaire dans ce système. "Les particules sont d'abord enchevêtrées par paires, " décrit Lanyon. "Avec les méthodes développées par nos confrères de Vienne et d'Ulm, nous pouvons alors prouver la propagation de l'intrication à tous les triplets de particules voisins, la plupart des quadruplés et quelques quintuplés.
Ces méthodes de détection ont été développées par le groupe de recherche de Martin Plenio à l'Université d'Ulm et l'équipe de Marcus Huber à l'IQOQI de Vienne. "Nous avons choisi une approche MacGyver, " explique le premier auteur Nicolai Friis. " Nous avons dû trouver un moyen de détecter l'enchevêtrement de plusieurs particules avec un petit nombre de paramètres de mesure réalisables. "
Les chercheurs ont adopté une approche complémentaire :le groupe autour de Huber et Friis a utilisé une méthode qui ne nécessite que quelques mesures et dont les résultats peuvent être facilement évalués. De cette façon, l'intrication de trois particules a pu être démontrée dans l'expérience. Les théoriciens d'Ulm ont utilisé une technique plus complexe basée sur des méthodes numériques. « Bien que cette technique soit efficace, elle atteint aussi ses limites du fait de la forte augmentation de l'effort de calcul dû au nombre de bits quantiques, " explique Oliver Marty du groupe de recherche de Martin Plenio. " C'est pourquoi l'utilité de cette méthode a également pris fin avec la détection d'un véritable enchevêtrement de cinq particules. "
Un grand pas vers l'application
"Il existe des systèmes quantiques tels que les gaz ultra-froids dans lesquels l'intrication entre un grand nombre de particules a été détectée, " dit Nicolai Friis. " Cependant, l'expérience d'Innsbruck est capable d'adresser et de lire chaque bit quantique individuellement." Il convient donc à des applications pratiques telles que les simulations quantiques ou le traitement de l'information quantique. Rainer Blatt et son équipe espèrent augmenter le nombre de bits quantiques dans l'expérience. "Notre objectif à moyen terme est de 50 particules, ", dit-il. "Cela pourrait nous aider à résoudre des problèmes que les meilleurs supercalculateurs d'aujourd'hui ne parviennent toujours pas à résoudre."
Les méthodes développées pour l'expérience du piège à ions à Innsbruck seront plus largement utilisées, les physiciens d'Ulm et de Vienne en sont convaincus. « Nous voulons repousser encore plus loin les limites de nos méthodes, " disent Friis et Marty. " En exploitant les symétries et en se concentrant sur certaines observables, nous pouvons optimiser davantage ces méthodes pour détecter un enchevêtrement multiparticulaire encore plus étendu.
La recherche a été publiée dans Examen physique X .
