L’intrication est un phénomène quantique dans lequel les propriétés de deux ou plusieurs particules sont interconnectées de telle manière qu’un état spécifique ne peut plus être attribué à chaque particule individuelle. Nous devons plutôt prendre en compte toutes les particules qui participent simultanément à un certain état. L’enchevêtrement des molécules détermine en fin de compte les propriétés de la matière.

« L’intrication de nombreuses particules est la caractéristique qui fait la différence », souligne Christian Kocail, l’un des premiers auteurs de cet article publié dans Nature. « Mais en même temps, c’est très difficile à déterminer. » Les chercheurs dirigés par Peter Zoller de l’Université d’Innsbruck et de l’Institut d’optique quantique et d’information quantique (IQOQI) de l’Académie autrichienne des sciences (ÖAW) présentent désormais une nouvelle approche qui pourrait améliorer considérablement l’étude et la compréhension de l’intrication dans les matériaux quantiques. . Afin de décrire de grands systèmes quantiques et d’en extraire des informations sur l’intrication existante, il faudrait naïvement effectuer un nombre incroyablement grand de mesures. « Nous avons développé une description plus efficace, qui nous permet d’extraire des informations d’intrication du système avec des mesures beaucoup plus petites », explique le physicien théoricien Rijk van Beijnen.

Dans une simulation quantique d’un piège à ions contenant 51 particules, les scientifiques ont imité la matière réelle en la recréant particule par particule et en l’étudiant dans un environnement de laboratoire contrôlé. Très peu de groupes de recherche dans le monde disposent du contrôle nécessaire sur autant de particules que les physiciens expérimentateurs d’Innsbruck dirigés par Christian Ross et Rainer Platt. « Le principal défi technique auquel nous sommes confrontés ici est de savoir comment maintenir de faibles taux d’erreur tout en contrôlant les 51 ions piégés dans notre piège et en garantissant la faisabilité du contrôle des qubits et des lectures individuels », explique l’expérimentateur Manoj Joshi. Ce faisant, les scientifiques ont été témoins pour la première fois d’effets expérimentaux qui n’avaient été décrits auparavant que théoriquement. « Ici, nous avons combiné les connaissances et les méthodes sur lesquelles nous avons travaillé ensemble minutieusement au cours des dernières années. Il est impressionnant de voir que l’on peut faire ces choses avec les ressources disponibles aujourd’hui. « 

Raccourci via les profils de température

Dans la matière quantique, les particules peuvent être intriquées avec une force plus ou moins grande. Les mesures sur des particules fortement intriquées ne donnent que des résultats aléatoires. Si les résultats des mesures sont très variables, c’est-à-dire s’ils sont purement aléatoires, les scientifiques parlent de « chaud ». Si la probabilité d’un certain résultat augmente, il s’agit d’un objet quantique « froid ». Seule la mesure de tous les objets enchevêtrés révèle l’état exact. Dans les systèmes constitués d’un très grand nombre de molécules, l’effort de mesure augmente considérablement. La théorie quantique des champs prédit que les sous-régions d’un système constitué de nombreuses particules enchevêtrées peuvent se voir attribuer un profil de température. Ces caractéristiques peuvent être utilisées pour extraire le degré d’enchevêtrement des particules.

Dans le simulateur quantique d’Innsbruck, ces profils de température sont déterminés via une boucle de rétroaction entre l’ordinateur et le système quantique, où l’ordinateur génère constamment de nouveaux profils et les compare aux mesures réelles de l’expérience. Les profils de température obtenus par les chercheurs montrent que les particules qui interagissent fortement avec l’environnement sont « chaudes » et celles qui interagissent peu sont « froides ». « Cela correspond tout à fait à l’idée selon laquelle l’intrication est particulièrement importante lorsque l’interaction entre les particules est forte », explique Christian Kocail.

Ouvrir les portes à de nouveaux domaines de la physique

« Les méthodes que nous avons développées constituent un outil puissant pour étudier l’intrication à grande échelle dans la matière quantique cohérente. Cela ouvre la porte à l’étude d’une nouvelle classe de phénomènes physiques à l’aide de simulateurs quantiques déjà disponibles aujourd’hui. » « Avec les ordinateurs classiques, de telles simulations ne peuvent plus être calculées avec un effort raisonnable. » Les méthodes développées à Innsbruck seront également utilisées pour tester de nouvelles théories sur de telles plates-formes.