Mark M. Wilde, professeur agrégé de physique à la Louisiana State University, et son collaborateur ont résolu un problème vieux de 20 ans en théorie de l'information quantique sur la façon de calculer le coût de l'intrication - un moyen de mesurer l'intrication - d'une manière qui est efficacement calculable, utile, et largement applicable dans plusieurs domaines de recherche quantique.

Dans un nouvel article publié dans Lettres d'examen physique , Wilde et son co-auteur, le Dr Xin Wang de Baidu Research, décrivent comment autoriser un éventail légèrement plus large d'opérations physiques que ce que l'on appelle les LOCC (opérations locales et communication classique) - qui ont dérouté les scientifiques quantiques avec des mathématiques difficiles pendant un certain temps - rend possible pour caractériser le coût d'intrication exact d'un état quantique donné. Leurs travaux clôturent une étude de longue date sur la théorie de l'intrication connue sous le nom de « coût d'intrication exacte PPT d'un état quantique ».

La science de l'information quantique vise à comprendre et à contrôler les propriétés étranges et parfois effrayantes des états quantiques (c'est-à-dire, états intriqués) qui permettent des tâches de traitement de l'information impossibles dans le monde non quantique, comme la téléportation, l'informatique quantique, et une communication absolument sécurisée.

L'unité d'intrication la plus élémentaire est connue sous le nom d'état de Bell. Vous pouvez le considérer comme la plus petite molécule possible constituée de deux atomes intriqués (qubits, vraiment) dont l'enchevêtrement est absolu - impliquant, si vous pouviez jeter un coup d'œil à l'un d'eux, tu saurais sans aucun doute que l'autre serait son jumeau, avec les mêmes caractéristiques. Comme deux personnes qui lancent une pièce; si une personne obtient des queues, ce qui est raisonnablement une chance 50/50, l'autre serait assuré d'avoir pile (ou ils ont tous les deux la tête, même chose), une conséquence d'un enchevêtrement absolu ou d'un état de Bell. En outre, personne d'autre dans l'univers ne peut connaître le résultat exact du tirage au sort, et c'est la principale raison pour laquelle une communication sécurisée basée sur l'intrication quantique est aussi bien possible que souhaitable.

"L'intrication quantique est une sorte de super-corrélation que partagent deux parties distantes, " expliqua Wilde. " Si le monde n'était décrit que par la physique classique, alors il ne serait pas possible d'avoir les fortes corrélations disponibles avec l'intrication quantique. Cependant, notre monde est fondamentalement mécanique quantique, et l'enchevêtrement en est une caractéristique essentielle."

Lorsque l'intrication quantique a été découverte pour la première fois dans les années 1930, on pensait que c'était gênant parce que c'était difficile à comprendre, et peu clair quels seraient ses avantages. Mais avec l'essor de la science de l'information quantique dans les années 1990, elle était comprise dans un sens théorique comme la clé de technologies quantiques remarquables. Des exemples récents de telles technologies incluent l'expérience chinoise de téléportation du sol au satellite en 2017, ainsi que la suprématie en calcul quantique de Google l'année dernière.

Chez LSU, des physiciens quantiques comme Omar Magaña-Loaiza et Thomas Corbitt effectuent régulièrement des expériences qui pourraient bénéficier de la nouvelle mesure plus précise de Wilde et Wang. Dans leurs laboratoires respectifs, Magaña-Loaiza a récemment généré des états intriqués via des mesures conditionnelles, ce qui constitue une étape importante dans le développement de systèmes de type laser intriqués, tandis que Corbitt a réalisé une étude d'intrication optomécanique, qui a le potentiel d'être une source fiable d'intrication multiphotonique à de courtes longueurs d'onde. La nouvelle mesure d'intrication de Wilde et Wang, appelé intrication κ ou négativité max-logarithmique, peut être utilisé pour évaluer et quantifier l'intrication produite dans un large éventail d'expériences de physique quantique.

Les unités d'intrication de base ou les états de Bell sont également appelés e-bits. L'intrication peut être considérée de deux manières différentes :soit le nombre d'e-bits qu'il faudrait pour préparer un état quantique, ou combien d'e-bits on pourrait extraire ou « distiller » d'un état complexe enchevêtré. Le premier est connu sous le nom de coût d'enchevêtrement et constitue le problème considéré par Wilde et Wang.

"Les e-bits sont une ressource précieuse et vous souhaitez en utiliser le moins possible, " Wilde a dit. " En physique, vous voulez souvent regarder à la fois le processus en avant et le processus en arrière. Est-ce réversible ? Et si c'est le cas, est-ce que je perds quelque chose en chemin ? Et la réponse est oui."

Wilde admet que le problème que lui et Wang ont résolu est quelque peu ésotérique – une astuce mathématique. Cependant, il permettra aux scientifiques de l'information quantique de calculer efficacement les coûts d'intrication compte tenu de certaines contraintes.

"Toutes les mesures d'enchevêtrement ne sont pas calculables efficacement et n'ont pas une signification telle que le coût d'enchevêtrement. C'est une distinction clé entre tous les travaux antérieurs et les nôtres, " ajouta Wilde.

Alors que l'absence de ce type de mesure a été un talon d'Achille dans la science de l'information quantique pendant plus de 20 ans, c'était, ironiquement, que Wilde devenait « enchevêtré » au maximum négativement lors d'un match de basket-ball en 2018, ce qui l'a amené, lui et Wang, à finalement résoudre le problème.

"Je me suis cassé le talon d'Achille en allant chercher le point gagnant du match, puis a subi une intervention chirurgicale pour le réparer, et n'a pas pu sortir du lit pendant un mois et demi, " Wilde se souvient. " Alors, J'ai écrit un article de recherche sur le coût de l'enchevêtrement, et quand Xin Wang l'a appris, il m'a demandé si je serais intéressé à développer davantage ce problème. Nous avons alors commencé à travailler ensemble, aller et retour, et c'est devenu l'article que nous avons maintenant publié dans Lettres d'examen physique . Nous sommes devenus de bons amis et collaborateurs après cela, les surprises qui peuvent survenir dans la vie sont remarquables."