Isaac Nape, un talent sud-africain émergent dans l'étude de l'optique quantique, fait partie d'une équipe de physiciens de Wits qui a dirigé une étude internationale qui a révélé les structures cachées des états intriqués quantiques. L'étude a été publiée dans la revue scientifique renommée, Communication Nature , vendredi, 27 août 2021.

Nape poursuit son doctorat. à l'Université de Wits et se concentre sur l'exploitation de modèles de lumière structurés pour le codage et le décodage d'informations de grande dimension à utiliser dans la communication quantique.

Plus tôt cette année, il a remporté deux prix à la conférence de l'Institut sud-africain de physique (SAIP) pour compléter sa collection croissante de distinctions dans le domaine de l'optique et de la photonique. Il a remporté le prix de la "Meilleure présentation orale de doctorat en physique appliquée, " et a remporté conjointement le prix du "Meilleur doctorat. présentation orale en photonique."

En mai, il a également reçu la prestigieuse bourse d'éducation à l'optique et à la photonique 2021 du SPIE, la société internationale d'optique et de photonique, pour ses contributions potentielles dans le domaine de l'optique, photonique ou domaine connexe.

Informatique plus rapide et plus sécurisée

Maintenant, Nape et ses collègues de Wits, en collaboration avec des collaborateurs d'Écosse et de Taïwan, nous proposons un nouvel outil rapide pour l'informatique et la communication quantiques. "Les états quantiques qui sont enchevêtrés dans de nombreuses dimensions sont la clé de nos technologies quantiques émergentes, où plus de dimensions signifient une bande passante quantique plus élevée (plus rapide) et une meilleure résilience au bruit (sécurité), crucial pour une communication rapide et sécurisée et accélérer l'informatique quantique sans erreur.

"Ce que nous avons fait ici, c'est inventer une nouvelle approche pour sonder ces états quantiques "de haute dimension", réduire le temps de mesure de dizaines à quelques minutes, " explique Nape.

Nape a travaillé avec le professeur distingué Andrew Forbes, chercheur principal de cette étude et directeur du Laboratoire de lumière structurée à l'École de physique de Wits, ainsi que la boursière postdoctorale Dr Valeria Rodriguez-Fajardo, chercheur taïwanais invité Dr. Hasiao-Chih Huang, et le Dr Jonathan Leach et le Dr Feng Zhu de l'Université Heriot-Watt en Écosse.

Êtes-vous quantique ou non ?

Dans leur article intitulé "Mesurer la dimensionnalité et la pureté des états enchevêtrés de haute dimension, " l'équipe a présenté une nouvelle approche de la mesure quantique, le tester sur un état intriqué quantique à 100 dimensions.

Avec les approches traditionnelles, le temps de mesure augmente défavorablement avec la dimension, de sorte que pour démêler un état à 100 dimensions par une tomographie d'état quantique complète, il faudrait des décennies. Au lieu, l'équipe a montré que les informations saillantes du système quantique - le nombre de dimensions enchevêtrées et leur niveau de pureté - pouvaient être déduites en quelques minutes. La nouvelle approche ne nécessite que des projections simples qui pourraient facilement être réalisées dans la plupart des laboratoires avec des outils conventionnels. En utilisant la lumière comme exemple, l'équipe utilisant une approche entièrement numérique pour effectuer les mesures.

Le problème, explique Nape, est que tandis que les états de grande dimension sont facilement créés, en particulier avec des particules de lumière intriquées (photons), ils ne sont pas faciles à mesurer – la boîte à outils existante pour les mesurer et les contrôler est presque vide.

Vous pouvez penser à un état quantique de grande dimension comme les faces d'un dé. Un dé conventionnel a six faces, numérotés de un à six, pour un alphabet à six dimensions qui peut être utilisé pour le calcul ou pour le transfert d'informations dans la communication. Faire des « dés de grande dimension » signifie créer des dés avec beaucoup plus de faces :100 dimensions égalent 100 faces – un polygone assez compliqué.

« Dans notre monde de tous les jours, il serait facile de compter les visages pour savoir de quelle ressource nous disposions, mais pas dans le monde quantique. Dans le monde quantique, vous ne pouvez jamais voir tout mourir, donc compter les visages est très difficile. La façon de contourner cela est de faire une tomographie, comme ils le font dans le monde médical, construire une image à partir de plusieurs, plusieurs tranches de l'objet, " explique Nape.

Mais les informations contenues dans les objets quantiques peuvent être énormes, le temps pour ce processus est donc prohibitif. Une approche plus rapide est une mesure de Bell, un test célèbre pour dire si ce que vous avez devant vous est enchevêtré, comme lui demander "êtes-vous quantique ou non?" Mais alors que cela confirme les corrélations quantiques des dés, il ne dit pas grand-chose sur le nombre de visages qu'il a.

Découverte fortuite

"Notre travail a contourné le problème par une découverte fortuite, qu'il existe un ensemble de mesures qui n'est ni une tomographie ni une mesure de Bell, mais qui contient des informations importantes sur les deux, " dit Nape. " Dans le jargon technique, nous avons mélangé ces deux approches de mesure pour faire plusieurs projections qui ressemblent à une tomographie mais mesurant les visibilités du résultat, comme s'il s'agissait de mesures de Bell. Cela a révélé les informations cachées qui pourraient être extraites de la force des corrélations quantiques à travers de nombreuses dimensions. »

Premier et rapide

La combinaison de la vitesse de l'approche de type Bell et des informations de l'approche de type tomographie a permis de déterminer rapidement et quantitativement des paramètres quantiques clés tels que la dimensionnalité et la pureté de l'état quantique. la première approche pour le faire.

"Nous ne suggérons pas que notre approche remplace d'autres techniques, " dit Forbes. " Plutôt, nous le voyons comme une sonde rapide pour révéler à quoi vous avez affaire, puis utilisez ces informations pour prendre une décision éclairée sur ce qu'il faut faire ensuite. Une affaire de chevaux-pour-cours."

Par exemple, l'équipe considère que son approche change la donne dans les liens de communication quantique du monde réel, où une mesure rapide du niveau de bruit que cet état quantique est devenu et de ce que cela a fait aux dimensions utiles est cruciale.