Entrelacement quantique et topologie liés par des chercheurs
Pour la première fois, des chercheurs du Laboratoire de Lumière Structurée (École de Physique) de l’Université du Witwatersrand en Afrique du Sud, dirigés par le Professeur Andrew Forbes, ont collaboré avec le théoricien des cordes Robert de Mello Koch de l’Université de Huzhou en Chine (anciennement de l’Université de Wits). Ils ont accompli l’exploit remarquable de perturber des paires de particules quantiques intriquées, séparées dans l’espace mais connectées, sans changer leurs caractéristiques partagées.
Des chercheurs établissent un lien entre l’entrelacement quantique et la topologie : la connexion entre les photons
Pedro Ornelas, premier auteur et étudiant en Master au laboratoire de lumière structurée, explique : “Nous avons atteint cette percée expérimentale en intriquant deux photons identiques et en ajustant leur fonction d’onde partagée. Cet ajustement a révélé leur structure ou topologie uniquement lorsqu’on considère les photons comme une unité unifiée.”
La connexion entre les photons, établie par l’entrelacement quantique connu sous le nom d'”action fantomatique à distance”, permet aux particules d’influencer les mesures l’une de l’autre malgré leur éloignement.
Publiée dans Nature Photonics le 8 janvier 2024, la recherche explore le rôle de la topologie dans la préservation des propriétés. C’est comparable à remodeler une tasse de café en un beignet ; malgré les changements, une caractéristique topologique constante, comme un trou, reste inchangée.
Forbes explique : “Notre entrelacement de photons est comme de l’argile entre les mains d’un potier, malléable, mais certaines caractéristiques persistent”
La topologie skyrmion, étudiée initialement par Tony Skyrme dans les années 1980, représente des configurations de champs présentant des traits similaires à des particules. Dans ce contexte, la topologie se réfère à une propriété des champs, semblable à la texture d’un tissu, restant constante indépendamment de la direction.
Matériaux modernes
Ces concepts sont observés dans des matériaux modernes et même des analogues optiques utilisant des faisceaux laser. En physique de la matière condensée, les skyrmions sont reconnus pour leur stabilité, influençant les progrès dans le stockage de données.
“Nous espérons que nos skyrmions quantiques intriqués conduiront à des avancées transformatrices”, déclare Forbes. La recherche remet en question l’idée des skyrmions en tant qu’entités localisées, suggérant que leur topologie est non locale et partagée entre des entités séparées.
Les chercheurs utilisent la topologie comme cadre pour classer les états intriqués, élargissant ce concept novateur.
Le Dr Isaac Nape, co-chercheur, envisage : “Cette nouvelle perspective peut servir de système d’étiquetage pour les états intriqués, ressemblant à un alphabet !”
Nape précise davantage : “De la même manière que nous différencions des objets tels que des sphères, des beignets et des menottes en fonction de leur nombre de trous, nos skyrmions quantiques possèdent des caractéristiques distinctes déterminées par leur topologie.”
L’équipe anticipe que cela pourrait devenir un outil puissant, introduisant de nouveaux protocoles de communication quantique utilisant la topologie comme un alphabet pour le traitement de l’information quantique via des canaux basés sur l’entrelacement.
Ces découvertes sont cruciales car les chercheurs ont longtemps eu du mal à préserver les états intriqués. La topologie persistante, même lorsque l’entrelacement s’affaiblit, suggère un nouveau mécanisme de codage potentiel. Ce mécanisme pourrait tirer parti de l’entrelacement, en particulier dans des scénarios où les méthodes de codage traditionnelles échouent en raison d’un entrelacement minimal.
“Ainsi, nous concentrons nos recherches sur la définition de ces protocoles et l’élargissement de la portée des états quantiques topologiques non locaux”, explique Forbes.
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