De nouvelles techniques pour des mesures précises de minuscules objets quantiques

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Une nouvelle recherche menée par une équipe de scientifiques de l'Université nationale australienne (ANU) a décrit un moyen d'obtenir des mesures plus précises d'objets microscopiques à l'aide d'ordinateurs quantiques, une étape qui pourrait s'avérer utile dans une vaste gamme de technologies de nouvelle génération, y compris la détection biomédicale.

Examiner les différentes propriétés individuelles d'un grand objet du quotidien comme une voiture est relativement simple : une voiture possède une position, une couleur et une vitesse bien définies. Cependant, cela devient beaucoup plus délicat lorsqu'il s'agit d'examiner des objets quantiques microscopiques comme les photons, de minuscules particules de lumière.

Cela s'explique par le fait que certaines propriétés des objets quantiques sont interconnectées, et la mesure d'une propriété peut en perturber une autre. Par exemple, la mesure de la position d'un électron affecte sa vitesse et inversement.

Ces propriétés sont appelées propriétés conjuguées. Il s'agit d'une manifestation directe du célèbre principe d'incertitude de Heisenberg : il est impossible de mesurer simultanément deux propriétés conjuguées d'un objet quantique avec une précision arbitraire.

Selon l’auteur principal et chercheur en doctorat de l’ANU, Lorcán Conlon, il s’agit de l’un des défis déterminants de la mécanique quantique.

« Nous avons pu concevoir une mesure permettant de déterminer plus précisément les propriétés conjuguées des objets quantiques. Fait remarquable, nos collaborateurs ont pu mettre en œuvre cette mesure dans divers laboratoires du monde entier », a déclaré Conlon.

"Suite mesures précises sont cruciales et peuvent à leur tour ouvrir de nouvelles possibilités pour toutes sortes de technologies, notamment la détection biomédicale, la télémétrie laser et les communications quantiques. »

La nouvelle technique s'appuie sur une étrange particularité des systèmes quantiques, appelée intrication. Selon les chercheurs, en intriquant deux objets quantiques et en les mesurant ensemble, les scientifiques peuvent déterminer leurs propriétés plus précisément que s'ils étaient mesurés individuellement.

« En intriquant deux systèmes quantiques identiques, nous pouvons acquérir davantage d'informations », a déclaré le Dr Syed Assad, co-auteur. « La mesure de toute propriété d'un système quantique engendre inévitablement un bruit. En intriquant les deux, nous pouvons réduire ce bruit et obtenir une mesure plus précise. »

En théorie, il est possible d'intricer et de mesurer trois systèmes quantiques ou plus pour obtenir une précision encore meilleure, mais dans ce cas, les expériences n'ont pas confirmé la théorie. Néanmoins, les auteurs sont convaincus que les futurs ordinateurs quantiques seront capables de surmonter ces limitations.

« Les ordinateurs quantiques dotés de qubits à correction d’erreurs pourront à l’avenir effectuer des mesures rentables avec de plus en plus de copies », a déclaré Conlon.

Selon le professeur Ping Koy Lam, scientifique en chef du département quantique de l'A*STAR à l'Institut de recherche et d'ingénierie des matériaux (IMRE), l'un des principaux points forts de ce travail est qu'une amélioration quantique peut toujours être observée dans des scénarios bruyants.

« Pour les applications pratiques, comme dans les mesures biomédicales, il est important que nous puissions voir un avantage même lorsque le signal est inévitablement intégré dans un environnement réel bruyant », a-t-il déclaré.

L'étude a été menée par des experts du Centre d'excellence ARC pour le calcul quantique et les technologies de communication (CQC2T), en collaboration avec des chercheurs de l'Institut de recherche et d'ingénierie des matériaux (IMRE) de l'A*STAR, de l'Université d'Iéna, de l'Université d'Innsbruck et de l'Université Macquarie. Amazon Web Services a collaboré en fournissant un soutien à la recherche et à l'architecture, et en mettant à disposition le dispositif Rigetti Aspen-9 via Amazon Bracket.

Les chercheurs ont testé leur théorie sur 19 ordinateurs quantiques différents, répartis sur trois plateformes : supraconducteurs, à ions piégés et photoniques. Ces appareils de pointe sont répartis en Europe et en Amérique et sont accessibles via le cloud, permettant aux chercheurs du monde entier de se connecter et de mener des recherches importantes.

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