Dans un état de graphe canonique, chaque sommet d'un graphe représente un qubit individuel (bit quantique), tandis que l'intrication entre ces qubits est représentée par les bords du graphe. Le concept a également été généralisé aux états dans lesquels les informations quantiques ne sont pas stockées dans des qubits individuels mais dans des variables continues, telles que l'amplitude et la phase de la lumière.

Bien que les états de graphes aient montré un potentiel pour améliorer certains outils de traitement de l'information quantique et de mesure quantique, les générer pour des graphes arbitraires est un défi, car cela nécessite un niveau élevé de contrôle sur les interactions qui génèrent l'intrication.

Des chercheurs de l'Université de Stanford et du Laboratoire national des accélérateurs du SLAC démontrent la génération d'états graphiques à variation continue d'ensembles de spins atomiques, formant les sommets d'un graphique. Leur article, publié dans Nature Physics , ouvre de nouvelles opportunités pour l'utilisation de ces états pour réaliser de nouveaux systèmes d'informatique quantique et de métrologie.

"Nos travaux récents s'inscrivent dans un vaste effort visant à concevoir des états quantiques intriqués, dans lesquels les informations sont codées de manière non locale dans les corrélations entre deux ou plusieurs particules", a déclaré Monika Schleier-Smith, auteur principal de l'article, à Phys.org. "Ces corrélations quantiques constituent la ressource essentielle pour les technologies quantiques envisagées, allant des ordinateurs quantiques aux capteurs ultra-précis."

Pour être déployés avec succès dans des environnements réels, les ordinateurs quantiques et les outils de mesure quantiques ultra-précis doivent être à la fois évolutifs et facilement programmables. En d’autres termes, ils devraient être capables de maintenir l’intrication non seulement entre deux mais entre plusieurs atomes et devraient permettre aux chercheurs de contrôler les corrélations dans le système.

L'objectif principal de l'étude récente menée par Schleier-Smith, son étudiant diplômé Eric Cooper et leurs collègues était de développer une méthode d'intrication des atomes qui soit à la fois évolutive et programmable. La méthode qu'ils ont développée implique l'utilisation de la technologie laser pour contrôler l'intrication entre les atomes dans deux ou plusieurs sous-systèmes.

"La principale technique expérimentale utilisée dans mon laboratoire consiste à manipuler des atomes avec de la lumière laser", a déclaré Schleier-Smith. "Premièrement, nous utilisons la lumière laser pour refroidir les atomes à des températures proches du zéro absolu et pour former des pinces optiques dans lesquelles ces atomes sont piégés au foyer d'un faisceau laser."

Les chercheurs ont utilisé quatre pinces optiques pour positionner quatre nuages ​​d’atomes entre une paire de miroirs, formant ainsi ce que l’on appelle un résonateur optique. Il s'agit essentiellement d'une « boîte » qui stocke les photons, leur permettant de rebondir à plusieurs reprises entre les deux miroirs.

"Je considère la lumière à l'intérieur du résonateur comme un messager qui circule entre les atomes et transmet des informations entre eux, mais, plus important encore, elle le fait secrètement, sans partager les informations avec le monde extérieur", explique Schleier-Smith. expliqué. "Ce partage discret d'informations entre les nuages ​​​​d'atomes leur permet de s'emmêler."

Grâce à leur méthode expérimentale, les chercheurs ont pu créer efficacement un état de graphe carré à quatre modes. Leur approche démontrée promet donc d'être à la fois une solution évolutive et efficace pour programmer l'intrication entre les nœuds quantiques et générer des états de graphes.

"Naïvement, on pourrait s'attendre à avoir besoin d'un contrôle indépendant des interactions entre chaque paire de nœuds du réseau pour avoir un contrôle total sur la structure des corrélations quantiques", a déclaré Schleier-Smith.

"Ce serait comme si deux personnes d'un réseau social pouvaient s'envoyer des messages directs. Cependant, nous avons appris qu'une très large classe d'états intriqués peut être préparée en utilisant uniquement des interactions globales - comme la diffusion d'un message à tout le monde dans le réseau social. réseau social — plus un ingrédient supplémentaire de contrôle local des nœuds individuels. "

L'étude récente de Schleier-Smith et de son groupe de recherche pourrait ouvrir la voie à une utilisation généralisée des états de graphes pour l'informatique quantique et la métrologie quantique. À l'avenir, leur méthode pourrait être utilisée pour préparer des états intriqués pour des applications spécifiques, allant de la correction d'erreurs quantiques à la détection quantique améliorée.

"À court terme, nous explorons les applications de la détection et de l'imagerie quantiques. Par exemple, comment pouvons-nous concevoir des états quantiques optimisés pour reconnaître des modèles spatiaux particuliers dans des champs magnétiques ou optiques ?" Schleier-Smith ajouté.

"À plus long terme, nous espérons étendre notre méthode d'ingénierie des états de graphes intriqués à des réseaux d'atomes piégés individuellement servant de qubits pour le calcul quantique. Cela nécessite des progrès dans la conception du résonateur pour améliorer la force des interactions atome-lumière. "