Une équipe de physiciens de l'ICTP-Trieste et de l'IQOQI-Innsbruck a proposé une idée étonnamment simple pour étudier l'intrication quantique de nombreuses particules. Au lieu de creuser profondément dans les propriétés des fonctions d'onde quantiques, qui sont notoirement difficiles d'accès expérimentalement, ils proposent de réaliser des systèmes physiques régis par les hamiltoniens d'intrication correspondants. En faisant cela, les propriétés d'intrication du problème original d'intérêt deviennent accessibles via des outils bien établis.

L'intrication quantique constitue le cœur de la deuxième révolution quantique :c'est une caractéristique clé utilisée pour comprendre les formes de la matière quantique, et une ressource clé pour les technologies quantiques actuelles et futures. Physiquement, les particules intriquées ne peuvent pas être décrites comme des particules individuelles avec des états définis, mais seulement en tant que système unique. Même lorsque les particules sont séparées par une grande distance, les changements dans une particule affectent également instantanément la ou les autres particules. L'enchevêtrement de particules individuelles, qu'il s'agisse de photons, atomes ou molécules - fait aujourd'hui partie du quotidien du laboratoire. En physique à plusieurs corps, suite aux travaux pionniers de Li et Haldane, l'intrication est typiquement caractérisée par ce que l'on appelle le spectre d'intrication :elle est capable de capter les caractéristiques essentielles des phénomènes quantiques collectifs, comme l'ordre topologique, et en même temps, il permet de quantifier la "quantité" d'un état donné, c'est-à-dire à quel point il est difficile de simplement l'écrire sur un ordinateur classique.

Malgré son importance, les méthodes expérimentales de mesure du spectre d'intrication atteignent rapidement leurs limites - jusqu'à aujourd'hui, ces spectres n'ont été mesurés que dans quelques systèmes qubits. Avec un nombre croissant de particules, cet effort devient sans espoir à mesure que la complexité des techniques actuelles augmente de façon exponentielle.

"Aujourd'hui, il est très difficile de réaliser une expérience au-delà de quelques particules qui nous permette de faire des déclarations concrètes sur les spectres d'intrication, " explique Marcello Dalmonte du Centre international de physique théorique (ICTP) de Trieste, Italie. Avec Peter Zoller et Benoît Vermersch de l'Université d'Innsbruck, il a maintenant trouvé un moyen étonnamment simple d'étudier directement l'intrication quantique. Les physiciens bouleversent le concept de simulation quantique en ne simulant plus un certain système physique dans le simulateur quantique, mais simulant directement son opérateur hamiltonien d'intrication, dont le spectre d'excitations se rapporte immédiatement au spectre d'intrication.

"Au lieu de simuler un problème quantique spécifique en laboratoire et d'essayer ensuite de mesurer les propriétés d'intrication, nous proposons simplement de renverser la vapeur et de réaliser directement l'intrication hamiltonienne correspondante, qui donne un accès immédiat et simple aux propriétés d'intrication, comme le spectre d'intrication, " explique Marcello Dalmonte. " Sonder cet opérateur en laboratoire est conceptuellement et pratiquement aussi simple que de sonder les spectres conventionnels à N corps, une routine de laboratoire bien établie."

Par ailleurs, il n'y a guère de limites à cette méthode en ce qui concerne la taille du système quantique. Cela pourrait également permettre l'étude des spectres d'intrication dans les systèmes à plusieurs particules, qui est notoirement difficile à résoudre avec les ordinateurs classiques. Dalmonte, Vermersch et Zoller décrivent la méthode radicalement nouvelle dans un article Physique de la nature et démontrer sa réalisation concrète sur plusieurs plateformes expérimentales, comme les systèmes atomiques, des ions piégés ainsi que des systèmes à semi-conducteurs basés sur des bits quantiques supraconducteurs.