La recherche met en évidence les limites actuelles de la détectabilité de l’intrication

Intrication quantique

L’intrication quantique est un processus par lequel deux particules s’emmêlent et restent liées dans le temps, même lorsqu’elles sont séparées par de grandes distances. La détection de ce phénomène est d’une importance capitale pour le progrès de la technologie quantique et la recherche en physique quantique à plusieurs corps.

Des scientifiques de l’université Tsinghua ont récemment mené des recherches sur les raisons possibles pour lesquelles la détection fiable et efficace de l’intrication dans des systèmes complexes et “bruyants” s’est souvent avérée très difficile. Leurs conclusions, publiées dans Physical Review Letters, laissent entrevoir l’existence d’un compromis entre l’efficacité et l’efficience des techniques de détection de l’intrication.

La plupart des états quantiques sont imbriqués, ce qui n’est pas sans conséquences.

“Il y a plus de 20 ans, les scientifiques ont découvert que la plupart des états quantiques sont intriqués”, explique à Phys.org Xiongfeng Ma, l’un des scientifiques ayant réalisé l’étude.

“Cela signifie que, par exemple, si nous parvenons à construire un système de 100 qubits, disons un système d’ordinateur quantique supraconducteur ou à piège à ions, ce système va se développer pendant un certain temps, au cours duquel les qubits interagissent largement les uns avec les autres. Bien sûr, il y aura des erreurs, donc pour maintenir un bon contrôle cohérent, nous isolons raisonnablement le système de l’environnement. Tant que la pureté (quantifiant l’efficacité de notre effort d’isolation) n’est pas exponentiellement petite avec le nombre de qubits, le système est extrêmement susceptible d’être intriqué.”

Si l’intrication semble théoriquement assez facile à réaliser, il est en fait très difficile d’y parvenir dans un cadre expérimental. Les recherches ont montré qu’elle est particulièrement difficile dans les grands systèmes quantiques, comme les systèmes composés de 18 qubits. L’objectif principal des travaux actuels de Ma et de ses associés était de mieux comprendre les difficultés associées à la détection de l’intrication dans les grands systèmes.

Utilisation d’une formulation mathématique

“Les chercheurs se sont progressivement rendu compte que si la préparation de l’état d’intrication d’un grand système pouvait être simple, la détection de l’intrication pouvait être extrêmement difficile dans la pratique”, explique Ma. “Dans notre travail, nous établissons une formulation mathématique pour quantifier l’efficacité d’une technique de détection de l’intrication. Nous employons une distribution d’état quantique appropriée, utilisons le ratio d’état intriqué détectable pour quantifier son efficacité, et de même, nous quantifions l’efficacité d’une méthode de détection de l’intrication par le nombre d’observables requis pour cette technique.”

Ma et ses associés ont d’abord examiné ce qui est sans doute le protocole de détection d’intrication le plus simple disponible aujourd’hui, appelé témoins d’intrication. Ils ont révélé que la capacité de ce protocole à repérer l’intrication diminue d’une valeur exponentielle double lorsque le système devient plus grand.

Les scientifiques ont ensuite découvert que cette réduction de l’efficacité liée à la taille d’un système affectait également d’autres protocoles de détection de l’intrication. Après une série de considérations théoriques, ils ont pu étendre leurs observations des performances de la méthode des témoins d’intrication à des protocoles d’intrication arbitraires qui reposent sur des mesures d’états quantiques à copie unique.

“Pour un état aléatoire couplé à l’environnement, tout protocole de détection d’intrication avec réalisation d’une seule copie est soit inefficace, soit inefficient”, a déclaré Ma. “Inefficace signifie que le protocole repose sur la mesure d’un nombre exponentiel d’observables, et inefficace signifie que le taux de réussite de l’intrication est doublement exponentiellement faible.”

Comment observer l’intrication à grande échelle

En gros, Ma et ses collègues ont montré que pour observer l’intrication à grande échelle, les scientifiques doivent pouvoir contrôler toutes les interactions d’un système avec une grande précision et comprendre presque toutes les informations les concernant. Lorsqu’il y a beaucoup d’incertitude concernant le système, la probabilité de repérer son intrication est donc extrêmement faible, même si l’on est presque certain de son occurrence.

“Nous avons montré qu’aucun protocole de détection de l’intrication n’est à la fois efficace et performant”, explique Ma. “Cela peut aider à la conception de protocoles de repérage de l’intrication à l’avenir. En attendant, la détection de l’intrication à grande échelle pourrait être un bon indicateur pour comparer différents systèmes informatiques quantiques. Par exemple, lorsqu’un groupe de laboratoire affirme avoir mis au point un système de plusieurs centaines de qubits, il devrait repérer l’intrication. Dans le cas contraire, ils n’ont pas suffisamment bien contrôlé le système”.

D’une manière générale, les résultats recueillis par cette équipe de scientifiques soulignent la présence d’un compromis entre l’efficacité et l’efficience des techniques existantes de détection de l’intrication. En outre, ils offrent un éclairage précieux sur les raisons pour lesquelles le repérage de l’intrication dans des systèmes quantiques bruyants et à grande échelle est si difficile.

“Notre résultat ne nous empêche pas de concevoir un protocole qui soit à la fois efficace et efficient lorsque le système est bien contrôlé (c’est-à-dire que l’environnement couplé est relativement minuscule)”, a ajouté M. Ma. “Actuellement, nous n’avons que des protocoles de détection d’intrication qui fonctionnent bien pour des états purs, comme les témoins d’intrication, et des protocoles qui fonctionnent pour de grands environnements au prix d’un coût exponentiel. Nous avons observé qu’il manque encore un protocole de détection de l’intrication qui fonctionne pour des environnements de dimension modérée avec un coût relativement faible, et nous aimerions maintenant essayer d’en développer un.”

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