Les systèmes quantiques constitués de plusieurs particules peuvent être utilisés pour mesurer plus précisément les champs magnétiques ou électriques. Un jeune physicien de l'Université de Bâle a maintenant proposé un nouveau schéma pour de telles mesures qui utilise un type particulier de corrélation entre les particules quantiques.

En information quantique, les agents fictifs Alice et Bob sont souvent utilisés pour illustrer des tâches de communication complexes. Dans l'un de ces processus, Alice peut utiliser des particules quantiques enchevêtrées telles que des photons pour transmettre ou « téléporter » un état quantique—inconnu même d'elle-même—à Bob, quelque chose qui n'est pas réalisable en utilisant les communications traditionnelles.

Cependant, il n'a pas été clair si l'équipe Alice-Bob peut utiliser des états quantiques similaires pour d'autres choses que la communication. Un jeune physicien de l'Université de Bâle a maintenant montré comment des types particuliers d'états quantiques peuvent être utilisés pour effectuer des mesures avec une précision plus élevée que ce que la physique quantique permettrait normalement. Les résultats ont été publiés dans la revue scientifique Communication Nature .

Pilotage quantique à distance

En collaboration avec des chercheurs en Grande-Bretagne et en France, Dr Matteo Fadel, qui travaille au Département de physique de l'Université de Bâle, a réfléchi à la manière dont les tâches de mesure de haute précision peuvent être abordées à l'aide de ce que l'on appelle la direction quantique.

La direction quantique décrit le fait que dans certains états quantiques de systèmes constitués de deux particules, une mesure sur la première particule permet de faire des prédictions plus précises sur les résultats de mesure possibles sur la deuxième particule que la mécanique quantique ne le permettrait si seule la mesure sur la deuxième particule avait été faite. Tout se passe comme si la mesure sur la première particule avait "dirigé" l'état de la seconde.

Ce phénomène est également connu sous le nom de paradoxe EPR, nommé d'après Albert Einstein, Boris Podolsky et Nathan Rosen, qui l'a décrit pour la première fois en 1935. Ce qui est remarquable, c'est qu'il fonctionne même si les particules sont éloignées les unes des autres car elles sont enchevêtrées par la mécanique quantique et peuvent se sentir à distance. C'est aussi ce qui permet à Alice de transmettre son état quantique à Bob en téléportation quantique.

"Pour le pilotage quantique, les particules doivent être enchevêtrées entre elles d'une manière très particulière, " explique Fadel. " Nous étions intéressés à comprendre si cela pouvait être utilisé pour faire de meilleures mesures. " La procédure de mesure qu'il propose consiste à ce qu'Alice effectue une mesure sur sa particule et transmet le résultat à Bob.

Grâce au pilotage quantique, Bob peut alors ajuster son appareil de mesure de telle sorte que l'erreur de mesure sur sa particule soit plus petite qu'elle ne l'aurait été sans les informations d'Alice. De cette façon, Bob peut mesurer, par exemple, champs magnétiques ou électriques agissant sur ses particules avec une grande précision.

Etude systématique des mesures d'aide au pilotage

L'étude de Fadel et de ses collègues permet désormais d'étudier et de démontrer systématiquement l'utilité du pilotage quantique pour les applications métrologiques. "L'idée est née d'une expérience que nous avons déjà réalisée en 2018 dans le laboratoire du professeur Philipp Treutlein à l'Université de Bâle, " dit Fadel.

« Dans cette expérience, nous avons pu mesurer pour la première fois la direction quantique entre deux nuages ​​contenant chacun des centaines d'atomes froids. Après ça, nous nous sommes demandé s'il serait possible de faire quelque chose d'utile avec ça." Dans son travail, Fadel a maintenant créé une base mathématique solide pour réaliser des applications de mesure réelles qui utilisent le pilotage quantique comme ressource.

« Dans quelques cas simples, nous savions déjà qu'il y avait un lien entre le paradoxe EPR et les mesures de précision, " dit Treutlein. " Mais maintenant nous avons un cadre théorique général, sur la base desquelles nous pouvons également développer de nouvelles stratégies pour la métrologie quantique. » Les chercheurs travaillent déjà à la démonstration expérimentale des idées de Fadel. À l'avenir, cela pourrait donner lieu à de nouveaux appareils de mesure quantiques.