Une nouvelle étude dans Physical Review Letters éclaire les subtilités des échanges d'énergie au sein des systèmes quantiques bipartites, offrant des informations approfondies sur la cohérence quantique, les effets de déphasage purs et l'impact potentiel sur les futures technologies quantiques.
Dans les systèmes quantiques, le comportement des particules et le transfert d'énergie sont régis par des distributions de probabilité et des fonctions d'onde, ajoutant des niveaux de complexité à la compréhension des échanges d'énergie.
L'exploration des échanges d'énergie dans les systèmes quantiques implique intrinsèquement d'aborder les complexités découlant de la décohérence quantique et des échelles auxquelles les systèmes quantiques fonctionnent, en introduisant de la sensibilité.
Malgré ces défis, l'étude des échanges d'énergie dans les systèmes quantiques est essentielle pour faire progresser les technologies quantiques et comprendre les aspects fondamentaux de la mécanique quantique.
Les chercheurs visent à combler le fossé entre les prédictions théoriques et les observations expérimentales en optique quantique et en thermodynamique. En explorant les échanges d'énergie au sein des systèmes quantiques bipartites, l'étude s'efforce de fournir un cadre complet pour comprendre la dynamique complexe en jeu.
"Ayant une formation en optique quantique expérimentale au cours de mon doctorat et de mon parcours universitaire, je suis passé à la théorie, en me plongeant dans la thermodynamique quantique il y a dix ans, en travaillant constamment pour combler les écarts entre ces domaines."
"Ces résultats représentent une belle concrétisation de ces efforts", a expliqué le professeur Alexia Auffèves, directrice de recherche au CNRS-MajuLab et professeure-chercheuse invitée au CQT Singapour, s'adressant à Phys.org. Elle est également co-auteur de l'étude.
L'auteur principal, le professeur Pascale Senellart de l'Université Paris-Saclay, a également partagé sa motivation derrière la recherche, en déclarant :« J'ai consacré la dernière décennie au développement d'atomes artificiels à l'aide de points quantiques semi-conducteurs, en affinant continuellement leur contrôle expérimental et leur couplage de lumière. un émetteur à semi-conducteurs dans cette recherche détient un pouvoir important pour traiter l'impact de la décohérence sur les échanges énergétiques. "
Les systèmes bipartites font référence à des systèmes quantiques composés de deux entités ou sous-systèmes distincts, présentant souvent une intrication et une superposition quantique. Les échanges d'énergie au sein de ces systèmes, tels que ceux étudiés dans la recherche, fournissent des informations sur la dynamique quantique.
Selon le professeur Auffèves, théoricien à l'origine de l'étude :« Lorsque deux systèmes quantiques sont couplés mais autrement isolés, ils peuvent échanger de l'énergie de deux manières :soit en exerçant une force l'un sur l'autre, soit en s'enchevêtrant. Nous appelons ces énergies échange respectivement « unitaire » et « corrélation ».
Cette distinction met en évidence la double nature des interactions énergétiques au sein des systèmes bipartites, avec une énergie unitaire impliquant des forces et une énergie de corrélation résultant de l'intrication.
Comprendre la dynamique au sein de ces systèmes est crucial pour faire progresser la mécanique quantique et développer des applications comme l’informatique quantique. En particulier, les systèmes bipartites sont des composants essentiels des portes quantiques et des opérations algorithmiques, constituant la base des technologies quantiques émergentes.
Dans la première partie de l’étude, les chercheurs se sont concentrés sur l’émission spontanée d’un qubit, représenté par un point quantique. Les points quantiques sont des semi-conducteurs à l'échelle nanométrique présentant des propriétés mécaniques quantiques.
On l’appelle souvent un atome artificiel car, comme les atomes, il possède un niveau d’énergie discret. Le point quantique a été placé dans un réservoir de modes électromagnétiques vides, ce qui signifie qu'il n'y a eu aucune perturbation ou interaction due aux champs électromagnétiques.
"D'anciens résultats théoriques obtenus dans mon groupe prédisent que la quantité d'énergie unitaire transférée au champ de vide devrait être proportionnelle à la cohérence quantique initiale du qubit", a expliqué le professeur Auffèves.
En termes simples, lorsque le qubit est initialement préparé dans une superposition égale d'états fondamentaux et excités, le transfert d'énergie unitaire vers le champ de vide est maximisé.
Dans un tel scénario, l’énergie unitaire transférée est égale à la moitié de l’énergie totale libérée par le qubit. Au contraire, si le qubit est initialement inversé, seule l’énergie de corrélation est transférée au champ. Cette dépendance à l'égard de l'état quantique initial du qubit met en évidence la nature complexe des transferts d'énergie dans les systèmes quantiques.
Les résultats de la première partie correspondaient précisément à ce que les chercheurs attendaient. Comme l'a souligné le professeur Auffèves, "Les expériences rapportées dans l'article répondent parfaitement à nos attentes. Elles impliquent comme qubit un point quantique couplé à une microcavité semi-conductrice qui fuit."
"L'énergie unitaire reçue par le champ, c'est-à-dire l'énergie verrouillée dans la composante cohérente du champ émis, est mesurée à l'aide d'un dispositif homodyne. Le niveau de contrôle expérimental est tel que l'énergie unitaire atteint presque la limite théorique, quelle que soit la limite théorique. état initial du point quantique."
Cela signifie que l'équipe a pu mesurer et comprendre avec précision comment le champ quantique échange de l'énergie au cours de ce processus.
Pour la deuxième partie, les chercheurs ont examiné les échanges énergétiques entre le champ lumineux émis et un champ cohérent de référence. Les deux champs ont été couplés de manière complexe à l'aide d'un séparateur de faisceau, un dispositif couramment utilisé en optique quantique pour manipuler les trajets des faisceaux lumineux.
L'étude impliquait un système quantique rappelant l'informatique quantique photonique linéaire, intégrant des interférences de champs lumineux via des séparateurs de faisceaux.
"Contrairement au premier cas, cette étude était un territoire inexploré. Cela a déclenché un dialogue passionnant entre théorie et expérience pour étendre nos concepts d'énergies unitaires et de corrélation à cette nouvelle situation et étudier de nouveaux comportements et modèles", a déclaré le professeur Auffèves.
L'analyse quantitative a révélé un résultat significatif :les transferts d'énergie unitaires se sont révélés dépendants de la pureté et de la cohérence du champ émis. Cela implique que les caractéristiques du champ lumineux, en particulier sa pureté et sa cohérence, jouent un rôle crucial dans la détermination de la nature et de l'ampleur des échanges d'énergie unitaires.
"Dans les deux cas, nous constatons que l'énergie unitaire (respectivement énergie de corrélation) reçue par un champ lumineux est égale au changement d'énergie de la composante cohérente (respectivement incohérente) de ce champ", a expliqué le Pr Auffèves.
Le premier auteur, le Dr Ilse Maillette de Buy Wenniger, chercheur postdoctoral à l'Imperial College de Londres et qui a auparavant travaillé au CNRS avec le professeur Senellart, a souligné les défis rencontrés expérimentalement en déclarant :« Isoler l'émetteur quantique pour une cohérence maximale et collecter efficacement la lumière quantique émise pour l'homodyne. Les mesures étaient vitales. C'est la première fois qu'une superposition d'états zéro et un photon est introduite dans un champ lumineux classique, une étape essentielle pour faire progresser les protocoles de communication quantique. "
"Le cadre que nous avons commencé à construire dans cet article pourrait jouer un rôle clé dans les futures analyses énergétiques de l'informatique quantique photonique", a déclaré le professeur Auffèves.
Comprendre les échanges d'énergie et d'entropie est crucial pour améliorer des processus tels que la génération d'intrication et les portes quantiques. La gestion du déphasage pur à des températures plus élevées, comme le révèle l'étude, devient vitale pour un échange d'énergie unitaire efficace, nécessaire à la mise en œuvre de portes quantiques.
Parlant de recherches futures, le Pr Auffèves souhaite se concentrer sur le côté fondamental des choses en explorant l'optique quantique avec des outils énergétiques et entropiques.
" Par exemple, en extrayant des signatures optiques d'irréversibilité, ou réciproquement, en détectant le caractère quantique d'un champ avec des figures de mérite énergétiques. Côté pratique, il sera important d'évaluer si et comment les concepts d'énergie unitaire et de corrélation impactent l'énergie. coût des technologies quantiques macroscopiques et full-stack", a-t-elle conclu.
Plus d'informations : I. Maillette de Buy Wenniger et al, Analyse expérimentale des transferts d'énergie entre un émetteur quantique et des champs lumineux, Physical Review Letters (2023). DOI :10.1103/PhysRevLett.131.260401.
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