Des chercheurs de l'Université d'Innsbruck ont ​​développé une méthode pour rendre mesurables des propriétés auparavant difficilement accessibles dans les systèmes quantiques. La nouvelle méthode de détermination de l'état quantique dans les simulateurs quantiques réduit le nombre de mesures nécessaires et rend le travail avec les simulateurs quantiques beaucoup plus efficace.

Dans quelques années, une nouvelle génération de simulateurs quantiques pourrait fournir des informations qui ne seraient pas possibles en utilisant des simulations sur des supercalculateurs conventionnels. Les simulateurs quantiques sont capables de traiter une grande quantité d'informations car ils superposent mécaniquement un nombre extrêmement important d'états de bits. Pour cette raison, cependant, il s'avère également difficile de lire ces informations sur le simulateur quantique. Afin de pouvoir reconstruire l'état quantique, un très grand nombre de mesures individuelles sont nécessaires. La méthode utilisée pour lire l'état quantique d'un simulateur quantique est appelée tomographie d'état quantique.

"Chaque mesure fournit une" image en coupe "de l'état quantique. Vous assemblez ensuite ces images en coupe pour former l'état quantique complet, " explique le physicien théoricien Christian Kokail de l'équipe de Peter Zoller à l'Institut d'optique quantique et d'information quantique de l'Académie autrichienne des sciences et du Département de physique expérimentale de l'Université d'Innsbruck. Le nombre de mesures nécessaires en laboratoire augmente très rapidement avec la taille du système. "Le nombre de mesures croît de façon exponentielle avec le nombre de qubits, " dit le physicien. Les chercheurs d'Innsbruck ont ​​maintenant réussi à développer une méthode beaucoup plus efficace pour les simulateurs quantiques.

Une méthode efficace qui fournit de nouvelles informations

Les connaissances de la théorie quantique des champs permettent à la tomographie d'état quantique d'être beaucoup plus efficace, c'est à dire., à effectuer avec beaucoup moins de mesures. "Ce qui est fascinant, c'est qu'il n'était pas du tout clair dès le départ que les prédictions de la théorie quantique des champs pourraient être appliquées à nos expériences de simulation quantique, " explique le physicien théoricien Rick van Bijnen. " L'étude d'articles scientifiques plus anciens dans ce domaine nous a menés sur cette voie. " La théorie quantique des champs fournit le cadre de base de l'état quantique dans le simulateur quantique. Seules quelques mesures sont alors nécessaires pour s'adapter les détails dans ce cadre de base.

Basé sur ceci, les chercheurs d'Innsbruck ont ​​développé un protocole de mesure par lequel la tomographie de l'état quantique devient possible avec un nombre de mesures considérablement réduit. À la fois, la nouvelle méthode permet d'obtenir de nouvelles informations sur la structure de l'état quantique. Les physiciens ont testé la nouvelle méthode avec les données expérimentales d'un simulateur quantique à piège à ions du groupe de recherche d'Innsbruck dirigé par Rainer Blatt et Christian Roos. "Dans le processus, nous étions maintenant en mesure de mesurer des propriétés de l'état quantique qui n'étaient auparavant pas observables dans cette qualité, ", raconte Kokail.

Vérification du résultat

Un protocole de vérification développé par le groupe avec Andreas Elben et Benoit Vermersch il y a deux ans peut être utilisé pour vérifier si la structure de l'état quantique correspond réellement aux attentes de la théorie quantique des champs. « Nous pouvons utiliser d'autres mesures aléatoires pour vérifier si le cadre de base pour la tomographie que nous avons développé sur la base de la théorie correspond réellement ou est complètement faux, " explique Christian Kokail.

Le protocole lève un drapeau rouge si le cadre ne convient pas. Bien sûr, ce serait aussi une découverte intéressante pour les physiciens, car cela fournirait peut-être des indices sur la relation pas encore entièrement comprise avec la théorie quantique des champs. À l'heure actuelle, les physiciens autour de Peter Zoller développent des protocoles quantiques dans lesquels le cadre de base de l'état quantique n'est pas stocké sur un ordinateur classique, mais est réalisé directement sur le simulateur quantique.

L'étude est publiée dans Physique de la nature .