Dans les années récentes, il y a eu des avancées significatives dans le développement d'ordinateurs et de simulateurs quantiques numériques. Ces systèmes physiques émergents ouvrent des possibilités sans précédent pour contrôler et mesurer une variété de dynamiques quantiques. Par conséquent, Certaines questions fondamentales de la physique à N corps qui auraient été auparavant considérées comme spéculatives et en dehors du domaine de l'exploration expérimentale peuvent désormais être examinées en laboratoire.

Des chercheurs de l'Université de Stanford ont récemment mené une étude explorant le rôle des mesures quantiques dans la dynamique à N corps. Dans leur papier, Publié dans Lettres d'examen physique , ils ont spécifiquement présenté un protocole qui peut être utilisé pour réaliser des dynamiques qui incluent des mesures quantiques dans des ordinateurs quantiques et des simulateurs quantiques, tout en évitant une étape procédurale connue sous le nom de post-sélection.

"Les mesures occupent une place particulière en physique quantique :elles provoquent l'effondrement brutal du système sur l'un des nombreux résultats de mesure possibles, choisi au hasard, " Matteo Ippoliti et Vedika Khemani, les deux chercheurs qui ont mené l'étude, dit Phys.org. "Par exemple, pensez au chat de Schrödinger dans une "superposition" de vivants et de morts dans une boîte - dès que la boîte est ouverte, l'état du chat s'effondre à vivant ou mort. En revanche, les systèmes quantiques « laissés seuls » évoluent de manière déterministe, également connue sous le nom de dynamique « unitaire ».

Au cours des dernières années, en partie motivée par les progrès récents dans le développement de dispositifs d'informatique quantique, de nombreux chercheurs ont commencé à étudier l'interaction entre les mesures quantiques et la dynamique unitaire à N corps. De façon intéressante, ils ont prédit que les états produits par ces dispositifs présenteraient un ensemble varié de nouveaux phénomènes. Ensuite, ces observations ont fait l'objet de nombreuses études théoriques.

« D'un point de vue expérimental, le caractère aléatoire des mesures quantiques pose un gros problème :Afin de rendre fiablement le même état (nécessaire pour mesurer ses propriétés, ou pour l'utiliser dans des applications), il faut reproduire la même séquence aléatoire de résultats de mesure encore et encore, " Ippoliti et Khemani ont expliqué. " C'est un événement exponentiellement rare, comme lancer une pièce de monnaie plusieurs fois et obtenir une séquence droite de têtes, et ce n'est pas une limitation technique mais plutôt une conséquence des règles de base de la mécanique quantique. C'est le problème de la "post-sélection".

Afin de mesurer l'intrication dans une dynamique non unitaire, les chercheurs devraient répéter une expérience plusieurs fois pour satisfaire cette exigence de « postsélection », ce qui serait prohibitif. L'objectif principal de l'étude menée par Ippoliti et Khemani était de concevoir une stratégie permettant la réalisation expérimentale de ces dynamiques sans avoir besoin de post-sélection. Ils ont proposé que cela puisse être réalisé en échangeant les rôles de l'espace et du temps, tirer parti d'une idée connue sous le nom de dualité espace-temps.

« En termes simples, imaginez avoir un ensemble de bits quantiques (qubits) dans votre laboratoire, disposé sur une ligne, aux positions un, deux, etc., " Ippoliti et Khemani ont déclaré. " Ceux-ci peuvent être amenés à interagir avec leurs voisins et ainsi évoluer dans le temps, décrivant un calcul quantique. Imaginez maintenant un système « virtuel » qui existe dans le sens du temps du laboratoire et évolue dans le sens de l'espace :passer du qubit un à deux dans le laboratoire signifie faire évoluer ce système virtuel pendant une unité de temps, etc."

L'« évolution virtuelle » du système examiné par les chercheurs s'est avérée non unitaire, ce qui signifie essentiellement qu'il comprend des éléments de mesure. Ces éléments, cependant, sont entièrement déterministes et peuvent être reproduits de manière fiable et répétée. Cette caractéristique cruciale leur a permis de traduire leur idée en un protocole pour réaliser et étudier la dynamique d'intrication dans des simulateurs quantiques.

"Les idées derrière notre étude peuvent sembler assez abstraites, mais nous les traduisons en un protocole spécifique qui peut être exécuté sur les simulateurs quantiques numériques actuels, " Ippoliti et Khemani ont déclaré. " Cela crée une voie directe pour étudier expérimentalement ces nouveaux types de dynamique quantique impliquant des mesures, tout en rapprochant la concrétisation de certaines idées théoriques passionnantes."

À l'avenir, le protocole conçu par Ippoliti et Khemani pourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour étudier la dynamique d'intrication dans les systèmes quantiques. En outre, leurs travaux pourraient éclairer le développement de nouvelles stratégies pour protéger les informations stockées dans les dispositifs quantiques existants et nouvellement développés. L'idée de « dualité espace-temps » introduite par ces chercheurs pourrait également être utilisée pour étudier de nombreux phénomènes physiques et dynamiques associés aux systèmes quantiques.

"Nous explorons actuellement les types d'états intéressants qui peuvent être préparés de cette manière, et comment ils peuvent se connecter aux phases de la matière quantique que nous connaissons, " Ippoliti et Khemani ont ajouté. " Sur une note plus générale, nos recherches seront éclairées par cette nouvelle ère de l'informatique quantique et de la simulation, avec un double objectif :d'une part, découvrir de nouveaux phénomènes fondamentaux rendus possibles par ce progrès technologique; de l'autre, poursuivre de nouvelles idées fondamentales qui peuvent avoir un impact sur les technologies elles-mêmes, en particulier de nouvelles façons de stocker et de manipuler des informations quantiques informées par la dynamique."

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