Des chercheurs de l'Institut de physique et de technologie de Moscou, rejoint par un collègue du Laboratoire National d'Argonne, NOUS., ont mis en œuvre un algorithme quantique avancé pour mesurer des quantités physiques à l'aide d'outils optiques simples. Publié dans Rapports scientifiques , leur étude nous rapproche des capteurs à base d'optique linéaire abordables avec des caractéristiques de haute performance. De tels outils sont recherchés dans divers domaines de recherche, de l'astronomie à la biologie.

Maximiser la sensibilité des outils de mesure est crucial pour tout domaine de la science et de la technologie. Les astronomes cherchent à détecter des phénomènes cosmiques à distance, les biologistes doivent discerner des structures organiques extrêmement minuscules, et les ingénieurs doivent mesurer les positions et les vitesses des objets, pour ne citer que quelques exemples.

Jusque récemment, aucun outil de mesure ne pouvait assurer une précision supérieure à la limite dite de bruit de grenaille, qui a à voir avec les caractéristiques statistiques inhérentes aux observations classiques. La technologie quantique a permis de contourner ce problème, augmenter la précision jusqu'à la limite fondamentale de Heisenberg, découlant des principes de base de la mécanique quantique. L'expérience LIGO, qui a détecté des ondes gravitationnelles pour la première fois en 2016, montre qu'il est possible d'atteindre une sensibilité limitée par Heisenberg en combinant des schémas d'interférence optique complexes et des techniques quantiques.

La métrologie quantique est un domaine de pointe de la physique qui concerne les outils technologiques et algorithmiques permettant de réaliser des mesures quantiques de haute précision. Dans leur récente étude, l'équipe du MIPT et de l'ANL a fusionné la métrologie quantique avec l'optique linéaire.

"Nous avons conçu et construit un schéma optique qui exécute la procédure d'estimation de phase basée sur la transformée de Fourier, " a déclaré le co-auteur de l'étude Nikita Kirsanov du MIPT. " Cette procédure est au cœur de nombreux algorithmes quantiques, y compris des protocoles de mesure de haute précision."

Une disposition particulière d'un très grand nombre d'éléments optiques linéaires - diviseurs de faisceau, déphaseurs, et miroirs - permet d'obtenir des informations sur les angles géométriques, postes, vitesses ainsi que d'autres paramètres d'objets physiques. La mesure consiste à coder la quantité d'intérêt dans les phases optiques, qui sont alors déterminés directement.

« Cette recherche fait suite à nos travaux sur les algorithmes universels de mesure quantique, " a commenté le chercheur principal Gordey Lesovik, qui dirige le Laboratoire MIPT de Physique des Technologies de l'Information Quantique. "Dans une collaboration antérieure avec un groupe de recherche de l'Université Aalto en Finlande, nous avons expérimentalement implémenté un algorithme de mesure similaire sur les qubits transmon."

L'expérience a montré que malgré le grand nombre d'éléments optiques dans le schéma, il est néanmoins accordable et contrôlable. Selon les estimations théoriques fournies dans le document, les outils d'optique linéaire sont viables pour mettre en œuvre même des opérations considérablement plus complexes.

"L'étude a démontré que l'optique linéaire offre une plate-forme abordable et efficace pour la mise en œuvre de mesures et de calculs quantiques à échelle modérée, " a déclaré Valerii Vinokur, membre distingué d'Argonne.