Technologies quantiques, comme les ordinateurs quantiques, dispositifs de détection quantique et mémoire quantique, se sont souvent avérés surpasser l'électronique traditionnelle en termes de vitesse et de performances, et pourrait ainsi bientôt aider les humains à s'attaquer plus efficacement à divers problèmes. Malgré leur énorme potentiel, la plupart des systèmes quantiques sont intrinsèquement sensibles aux erreurs et au bruit, ce qui pose un sérieux défi à leur mise en œuvre et à leur utilisation dans des contextes réels.

Pour permettre la mise en œuvre à grande échelle des technologies quantiques, les chercheurs ont essayé de développer des techniques qui pourraient les rendre plus résistantes au bruit et moins sujettes aux erreurs. Alors que certaines de ces méthodes, telles que la correction d'erreur quantique et la tolérance aux pannes, se sont avérés utiles et sont désormais des pierres angulaires de la science de l'information quantique, les facteurs qui limitent les performances des systèmes quantiques dans les applications du monde réel sont encore mal compris.

Des chercheurs de l'Université de Cambridge au Royaume-Uni et du Perimeter Institute for Theoretical Physics au Canada ont récemment tenté d'acquérir une compréhension théorique des limites des techniques de « purification » des ressources quantiques bruyantes. Dans un article publié en Lettres d'examen physique , ils ont prouvé mathématiquement l'existence d'une série de limites universelles sur la précision et l'efficacité des méthodes pour purifier différents types de ressources quantiques associées à des applications pratiques, qui jouent un rôle clé dans le fonctionnement des technologies quantiques.

"Les idées et les techniques discutées dans notre article proviennent de la théorie générale des ressources quantiques à un coup, ' que nous avons décrit dans l'un de nos précédents articles PRL, " Zi-Wen Liu, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "L'idée clé est d'analyser une quantité théorique de l'information appelée l'hypothèse quantique testant l'entropie relative, qui est montré pour induire des limitations universelles sur les transformations de l'état bruité à l'état pur."

En utilisant des théorèmes mathématiques, Liu et ses collègues ont prouvé une série de limitations fondamentales sur la mesure dans laquelle les ressources génériques bruyantes peuvent être purifiées, qui découlent des lois de la mécanique quantique. Les calculs qu'ils ont effectués s'appliquent à pratiquement tous les types de ressources quantiques.

"Plus explicitement, nous dérivons des limites inférieures non triviales sur l'erreur de conversion de tout état bruyant de rang complet en tout état cible de ressource pure par n'importe quel protocole libre (y compris les protocoles probabilistes) - et constatons qu'il est impossible d'obtenir une purification parfaite des ressources, même probabiliste, " expliqua Liu. " En particulier, il existe un compromis non négligeable entre la probabilité de succès et la précision du protocole, ce qui s'apparente à une "relation d'incertitude".

Les théorèmes mathématiques introduits par cette équipe de chercheurs impliquent l'existence de limites fortes à l'efficacité de la distillation, une technique pour purifier les ressources quantiques qui sous-tend une grande variété de technologies quantiques élaborées. Plus précisement, ces théorèmes introduisent les premières bornes inférieures explicites sur les coûts de la distillation de l'état magique, qui est considéré comme un schéma de pointe pour réaliser un calcul quantique évolutif et tolérant aux pannes.

"Remarquablement, nos théorèmes nous ont permis d'établir la première compréhension rigoureuse des coûts de ressources nécessaires de l'informatique quantique à grande échelle et d'autres technologies quantiques, " Liu a déclaré. "Nous espérons que nos résultats serviront de lignes directrices importantes et trouveront des applications de grande envergure dans des scénarios pratiques. De plus, nous écrivons un travail de suivi sur l'extension des théorèmes de non-purification aux canaux quantiques, qui sont directement applicables à des scénarios dynamiques importants comme la simulation de canaux quantiques et la synthèse de circuits, pour rendre la théorie plus complète."

En plus d'éclairer les coûts et les limites des technologies quantiques, les résultats améliorent la compréhension des principes fondamentaux de la mécanique quantique. Comme les célèbres théorèmes de non-droit, le théorème de non-clonage et le principe d'incertitude, les nouveaux théorèmes de « non-purification » qu'ils ont introduits devraient jouer un rôle essentiel dans le développement scientifique et pratique de la physique quantique. À l'avenir, ils pourraient déclencher des recherches supplémentaires sur la façon dont ces limites peuvent être atteintes, ouvrant finalement la voie à des technologies quantiques plus efficaces pour des applications pratiques dans le monde réel.

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