En sondant les effets subtils de la mécanique quantique, tous les paramètres du système et ses mesures doivent être finement réglés pour observer le résultat que vous espérez. Alors, que se passe-t-il lorsque vous orientez tout vers la détection de ce à quoi vous vous attendez le moins ? Des chercheurs du MIT et de l'Université Purdue aux États-Unis ont adopté cette approche et ont découvert qu'ils pouvaient amplifier les signaux quantiques d'un facteur 30 tout en changeant conditionnellement la phase relative d'un photon de π/80 à π/2. Les résultats pourraient fournir le chaînon manquant qui rapproche un certain nombre de technologies de réseaux quantiques d'une utilisation pratique.

Les protocoles de la technologie quantique visent généralement à maximiser les forces d'interaction, mais la préparation de ces systèmes enchevêtrés peut être très difficile. "Nous avons posé la question, pouvons-nous transformer des interactions faibles en interactions très fortes d'une manière ou d'une autre ?" explique Vladan Vuletic, Wolf Professeur de physique au MIT. "Vous pouvez, et le prix est, ils n'arrivent pas souvent."

Les effets observés par Vuletic et ses collègues dépendent des facteurs qui alimentent les "valeurs d'attente" des expériences quantiques. Les valeurs attendues décrivent le résultat moyen d'un scénario quantique et correspondent au produit de chaque valeur possible et de sa probabilité. Vuletic et ses collaborateurs ont concentré leurs études sur des scénarios où la moyenne est dominée par des événements rares, comme une loterie où tout le monde gagne une petite somme en moyenne, bien qu'en fait, quelques personnes seulement gagnent des sommes énormes. En mécanique quantique, la lumière emprunte aussi parfois le chemin le moins fréquenté, et comme le montrent les chercheurs, cela peut vraiment faire toute la différence.

Les chercheurs avaient étudié les interactions entre les photons - un photon signal et un photon auxiliaire - suivant différents chemins à travers un ensemble d'atomes froids dans une cavité. Chaque photon peut interagir avec les atomes, et cette interaction porte la signature de la façon dont l'autre photon a interagi, donnant une interaction indirecte entre les deux photons. Les interactions laissent des signes révélateurs dans le photon, comme un déphasage, qui, bien que zéro à la résonance, devient positif ou négatif en fonction de la résonance du système sur laquelle les paramètres sont réglés.

Mahdi Hosseini de l'Université Purdue explique qu'ils ont noté un déphasage moyen alors qu'ils étudiaient l'interaction. "Je me souviens que Vladan a ensuite fait des calculs une nuit, et nous l'a envoyé, et nous l'avons regardé, et au départ, Je pensais que ça ne pouvait pas marcher, " dit Hosseini. Le calcul a suggéré des résultats surprenants pour un régime où il y avait une forte probabilité d'une mesure de photons auxiliaire associée à un faible déphasage dans le faisceau de signal (comme cela pourrait être le cas près de la résonance). Dans les rares occasions où ce n'est pas la mesure enregistrée pour le photon auxiliaire, le déphasage pour le faisceau de signal doit être grand pour que le produit avec la faible probabilité réponde toujours à la valeur attendue.

De plus, à travers ce phénomène, les paramètres sélectionnés pour mesurer le photon auxiliaire pourraient grandement affecter le résultat du déphasage pour le photon signal malgré les faibles interactions entre les deux, quelque chose que les chercheurs décrivent comme « le contrôle annoncé des photons ». Avec une manipulation soigneuse des paramètres du système pour ajuster le régime des expériences, les chercheurs ont pu observer les effets que la théorie avait prédits.

"Nous étions plus excités que surpris, " dit Hosseini. " Naïvement, quand on regarde la moyenne, vous ne vous attendez pas à voir un déphasage à la résonance, même pas un petit déphasage; vous vous attendez à n'en voir aucun. Mais il s'avère qu'en changeant le processus de mesure, vous pouvez changer cela en états hautement interactifs, et c'était surprenant."

Les chercheurs soulignent que des protocoles qui amplifient également les signaux ont été démontrés dans d'autres systèmes grâce à une "amplification sans bruit" et à des "mesures faibles". Ces protocoles offrent des améliorations par des facteurs compris entre deux et cinq, avec une très faible probabilité. « Si la fidélité multipliée par la probabilité est bien inférieure à 50 %, ce n'est pas vraiment utile pour la détection, par exemple, " explique Hosseini. En revanche, Hosseini, Vuletic et ses collaborateurs ont pu mettre en évidence des déphasages jusqu'à π/2 où le déphasage moyen est de π/80 et une amplification du nombre de photons d'un facteur 30 environ. Si ces événements restent rares, la probabilité est plus prometteuse pour les applications pratiques.

"Avant, les gens avaient pensé à cette amplification silencieuse et à tout déphasage comme des champs complètement disparates, " ajoute Vuletic. " Nous avons montré que c'est la même chose, et vous pouvez avoir un petit changement de paramètres pour passer des déphasages au gain."

Il existe de nombreuses technologies émergentes de réseaux quantiques qui font face à une pierre d'achoppement en l'absence d'une technologie pratique pour amplifier les signaux, telles que la communication quantique à longue distance, ou lors de la connexion de plusieurs ordinateurs quantiques, chacun avec un nombre gérable de qubits pour augmenter la capacité de traitement. "Les pertes et la décohérence sont toujours un problème, " dit Vuletic.

Alors que Vuletic travaille actuellement sur des "superatomes" susceptibles d'augmenter le couplage des photons, Le travail d'Hosseini aborde le monde désordonné de l'état solide pour reproduire les phénomènes dans les cristaux avec des ions de terres rares. Ces systèmes ne sont pas aussi propres car il n'est pas possible d'avoir une connaissance aussi précise de l'environnement autour des ions que pour des ensembles d'atomes totalement homogènes. Cependant, si le principe peut être démontré dans ces systèmes, il peut offrir une base plus pratique pour les applications et même multiplexer les effets pour ajouter les probabilités pour chaque scénario.

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