Un état quantique maximalemt intriqué avec un spectre fixe n'existe pas en présence de bruit, affirme le mathématicien

21 août 2024

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par David Appell, Phys.org

Pendant plus de 20 ans, les chercheurs quantiques se sont demandés si un système quantique peut avoir une entrelacement maximum en présence de bruit. Un mathématicien espagnol a récemment répondu à la question: Non.

L'idée de l'entrelacement quantique a débuté avec un débat entre Niels Bohr et Albert Einstein; Einstein n'aimait pas la notion et l'appelait de manière moqueuse 'action fantomatique à distance'. Les physiciens quantiques se sont penchés sur le concept pendant des décennies, et il a été affiné en un principe fondamental connu sous le nom d'inégalités de Bell, qui ont délimité les domaines classique et quantique.

L'entrelacement se produit lorsque les objets dans un système, quoi qu'ils soient, ne peuvent pas être décrits indépendamment les uns des autres. Ils sont en quelque sorte connectés de manière que les scientifiques n'ont pas pu expliquer, ou plutôt, comprendre, puisque cela semble si contre-intuitif pour nous, les êtres classiques qui pensent de manière classique et non quantique.

Les scientifiques quantiques utilisent le phénomène de l'entrelacement pour développer et améliorer des technologies telles que les ordinateurs quantiques, le chiffrement quantique, les capteurs quantiques, et la téléportation quantique, et souhaitent aller plus loin.

De nombreux scientifiques quantiques pensent que les ordinateurs quantiques nécessiteront des particules ou des molécules dans un état entrelacé. De tels états n'existent que dans la mécanique quantique. Considérons un système de deux électrons entrelacés dont le spin net est zéro. Mesurez le spin d'un seul, et, quelle que soit la valeur, le partenaire entrelacé bascule apparemment immédiatement dans le spin opposé, peu importe la distance.

Cependant, de manière plutôt mystérieuse, aucune information n'a voyagé entre les deux particules. L'entrelacement a été démontré pour un système dont les membres sont séparés de plus de 1 000 km.

Un qubit est un bit quantique, où l'état (ici, un électron) peut exister dans plusieurs états en même temps; l'électron est dit être en une superposition quantique. Avant d'être mesuré, chacun des électrons ci-dessus est un qubit, une superposition d'un état de spin haut et d'un état de spin bas. L'état quantique maximale entrelacé de deux qubits est appelé un état de Bell; les qubits présentent une corrélation parfaite qui ne peut être expliquée sans la mécanique quantique.

Au cours des dernières décennies, les scientifiques et les ingénieurs ont commencé à considérer l'entrelacement comme une ressource permettant d'accomplir des tâches dans des technologies quantiques impossibles avec des systèmes classiques. Lors de l'utilisation de l'entrelacement, les chercheurs aimeraient atteindre un état totalement entrelacé, où les particules, la lumière ou les molécules ont des connexions maximales d'entrelacement entre elles dans le monde réel; les particules sont corrélées de manière impossible dans le monde classique, et toutes les mesures possibles du système entrelacé peuvent être effectuées. Cela fournirait la forme d'entrelacement la plus utile et serait une norme de qualité dans les applications.

En l'absence de tout bruit- toute perturbation de l'état entrelacé, comme des fluctuations thermiques, des vibrations mécaniques, des fluctuations de tension d'une alimentation électrique, etc.- les théoriciens de l'information quantique savent que l'état de maximale entrelacement existe, indépendamment des mesures.

Mais le monde réel est envahi par des bruits inévitables partout, y compris sur les états entrelacés. L'état de maximale entrelacement peut-il encore exister? En effet, cette question est classée au numéro 5 sur la liste des problèmes quantiques ouverts publiés par l'Institut d'optique quantique et d'information quantique à Vienne.

Maintenant, Julio I. de Vicente de l'Universidad Carlos III de Madrid a répondu à la question de manière négative - si du bruit est présent, il n'est pas possible de maximiser simultanément tous les types d'entrelacement du système. Son travail est publié dans Physical Review Letters.

'Le meilleur état que l'on peut préparer dépend du choix quantificateur d'entrelacement dès que l'on s'éloigne du scénario idéalisé même sous la forme la plus subtile de bruit', a déclaré de Vicente à Phys.org. 'Ainsi, dans le régime bruyant, il n'y a pas de notion universelle d'entrelacement maximal, et le meilleur état que l'on peut préparer dépend de la tâche.'

Un 'quantificateur d'entrelacement' attribue un nombre au degré d'entrelacement. Une 'tâche' dans ce contexte est le but pour lequel un état entrelacé est utilisé.

Il est important de comprendre que les résultats de Vicente s'appliquent uniquement aux états maximale entrelacés bruyants avec un spectre fixe. Deux états quantiques ont le même spectre s'ils ont la même quantité de bruit sous-jacent. Les résultats de Vicente ne s'appliquent pas au cas où nous sommes autorisés à changer le spectre (c'est-à-dire, augmenter ou diminuer le bruit) entre deux états quantiques.

Un quantificateur d'entrelacement important est l'entropie d'entrelacement; comme en thermodynamique, c'est une mesure de la quantité de désordre dans un système. Les états de Bell ont une grande quantité d'entropie, et il était connu que les états bruités à deux qubits maximisaient d'autres quantificateurs d'entrelacement. On croyait fortement qu'ils devaient maximiser tous les quantificateurs possibles, ce qui s'avère maintenant être incorrect. Namit Anand, un scientifique de KBR et du Laboratoire d'IA Quantique de la NASA Ames (QuAIL), déclare : "Cela vient comme une surprise, car il était connu qu'il existe des classes d'états bruités à deux qubits qui semblent être comme la généralisation de l'état de Bell." Mais la preuve de de Vicente implique, entre autres choses, que l'équivalent de l'état de Bell n'existe pas en présence de bruit. "Cela nous rappelle que l'histoire n'est pas aussi simple qu'il y paraît," a déclaré Anand. "Et peut-être que, comme cela se produit souvent dans la recherche fondamentale, quand un problème ouvert est résolu, cela nous laisse avec plus de questions que de réponses." L'auteur remercie Namit Anand pour ses précieuses idées et son assistance. Plus d'informations : Julio I. de Vicente, Les états mixtes maximlement entrelacés pour un spectre fixe n'existent pas toujours, Physical Review Letters (2024). DOI : 10.1103/PhysRevLett.133.050202. Sur arXiv : arxiv.org/abs/2402.05673 Informations sur la revue : Physical Review Letters arXiv © 2024 Science X Network