Le fonctionnement des technologies quantiques repose sur la réalisation et le contrôle fiables des états quantiques, en particulier l'enchevêtrement. Dans le contexte de la physique quantique, l'intrication implique un lien entre les particules, par laquelle la mesure un détermine le résultat de la mesure de l'autre même lorsqu'elles sont éloignées les unes des autres, et d'une manière qui défie toute explication intuitive.
Un défi clé dans le développement de technologies quantiques fiables est que l'intrication est très sensible au bruit (c'est-à-dire des interactions aléatoires avec l'environnement). Ces interactions avec le bruit peuvent avoir un impact négatif sur cet état quantique souhaité et, à leur tour, réduisent les performances des technologies quantiques.
Des chercheurs de l'Université de Shandong en Chine et de l'Université nationale de Cheng Kung à Taïwan ont récemment mis en œuvre une étape clé pour récupérer expérimentalement les corrélations quantiques cachées des États enchevêtrés à plus grande dimension.
Cette méthode, décrite dans un article publié dans Lettres d'examen physiqueimplique la mise en œuvre des opérations de filtrage local à copie dite (SCLF).
« La préparation et la manipulation de l'enchevêtrement quantique sont toujours imparfaites, compromettant leurs performances dans les tâches d'informations sur le traitement quantique », a déclaré à Issues.fr de l'auteur co-senor.
« Bien que les protocoles de distillation conventionnels promettent de retourner au moins une copie de l'enchevêtrement maximal par rapport aux états bruyants multi-copies, il n'est pas` `amical '' pour les systèmes photoniques car les interactions photon-photons fortes nécessaires à la manipulation collective restent difficiles. »
Alors que les physiciens ont développé divers protocoles pour l'intrication de distillation au cours des dernières décennies, la plupart des systèmes quantiques existants sont difficiles à mettre en œuvre sur des systèmes quantiques composés de photons (c'est-à-dire des particules de lumière). Le développement d'approches de distillation plus faciles à mettre en œuvre sur les systèmes photoniques pourrait donc être très avantageux, car il pourrait éclairer la recherche physique quantique et améliorer les technologies quantiques.
« L'idée de la distillation à copie unique est sortie lorsque j'ai visité Liang en 2019, lorsqu'il a partagé l'idée d'activer le pouvoir de téléportation avec l'opération SCLF » « , a déclaré Lu. « J'ai rapidement réalisé que c'était le protocole de distillation facile à mettre en œuvre que j'ai recherché, conduisant naturellement à notre collaboration. »
Le premier objectif de la récente étude de Lu et de ses collègues était d'utiliser SCLF pour observer les caractéristiques quantiques qui étaient initialement absentes dans une classe d'états quantiques mixtes appelés états de Werner, en particulier la non-localité (c'est-à-dire la caractéristique qui sous-tend les corrélations entre le comportement des particules enchevêtrées).
De plus, les chercheurs ont voulu montrer que cette technique est évolutive et plus facile à mettre en œuvre sur les systèmes optiques que les schémas de distillation enchevêtrés existants.
« Notre travail est une continuation naturelle de notre collaboration précédente, visant à récupérer le pouvoir de téléportation par SCLF », a déclaré à Issues.fr Yeong-Cherng, auteur co-ennior du journal.
« Une question laissée ouverte, il y avait pourquoi on devait favoriser une projection de qubit par rapport aux autres SCLF.
Pour démontrer le potentiel de leur approche basée sur SCLFS pour la distillation de la quantum, les chercheurs ont réalisé une série d'expériences utilisant un système photonique à deux pits, dans lequel chaque unité quantique (Qutrit) peut exister dans une superposition de trois états. Ils ont spécifiquement préparé les états de Werner tridimensionnels, qui étaient codés dans les degrés de liberté (DOF) des paires de photons.
« À cette fin, nous avons d'abord préparé un état de Werner à deux qubit codé dans le DOF de polarisation, puis utilisé un tableau de déplaceurs de faisceau et de plaques d'onde pour transformer les informations quantiques en DOF de chemin », a expliqué Lu. « Le SCLF est assez simple – cela ne nécessite que le blocage de l'un des trois chemins. »
Lu, Liang et leurs collègues ont également utilisé des cadres théoriques pour confirmer que leur technique était efficace pour distiller les corrélations quantiques dans leurs expériences. Leurs analyses ont démontré que malgré les imperfections dans leurs expériences, la SCLF mise en œuvre a transformé les états qu'ils ont préparés comme ils l'avaient prévu, ce qui leur permet d'observer des caractéristiques quantiques qui étaient auparavant cachées.
« À cette fin, nous avons vérifié les états expérimentalement » reconstruits « contre divers critères et, dans certains cas, nous avons également effectué des optimisations numériques pour renforcer nos affirmations », a déclaré Liang.
Les travaux récents de cette équipe de chercheurs pourraient réduire considérablement la complexité expérimentale requise pour distiller les caractéristiques quantiques utiles des interactions bruyantes. Notamment, leurs expériences et analyses théoriques ont démontré que leur approche de distillation proposée est évolutive et peut également être appliquée à des systèmes quantiques de dimension plus dimensionnels.
« Pour moi, l'un des moments les plus excitants est notre redécouverte de la décomposition du qubit des États de Werner – implicitement donnés dans le travail de Popescu », a déclaré Liang.
« Non seulement cela a fait la lumière sur une question qui nous a conduits à ce travail, à savoir pourquoi il faut favoriser la projection de qubit par rapport à d'autres SCLFS, mais il a également facilité la possibilité pour nous d'effectuer notre démonstration expérimentale. Quant à la réalisation, je choisirais la première preuve de la preuve de principe de validation expérimentale de la non-localité des États-Unis.
La nouvelle vision de la distillation préconisée par lui, Liang et leurs collègues pourraient bientôt être utilisées pour distiller la quantification dans d'autres systèmes quantiques de dimension supérieure, afin de valider davantage son potentiel. Les résultats de l'équipe pourraient également avoir des implications théoriques intéressantes, car elle remet en question les points de vue précédents suggérant que l'intrication ne peut devenir utile que lorsqu'elle est fortement « purifiée » du bruit.
Dans ses prochaines études, Liang, qui est un physicien théorique travaillant à l'Université nationale de Cheng Kung et directeur adjoint du Center for Quantum Frontiers of Technology (QFORT), prévoit de concevoir un protocole de distillation à une seule copie encore plus efficace pour extraire des caractéristiques quantiques authentiques des États Werner ou prouver que le protocole actuel est déjà optimal.
Lu et ses collègues de l'Université Shadong, en revanche, espèrent bientôt démontrer la mise en œuvre du nouveau protocole de distillation sur les états quantiques avec plus de dimensions.
« Dans ce travail, nous avons démontré la distillation à copie unique sur des états quantiques tridimensionnels », a ajouté Lu.
« Je voudrais explorer des états encore plus dimensionnels, bien que la mise en œuvre de notre schéma en utilisant des optiques en vrac dans de tels cas semble assez difficile. Cependant, le développement rapide de l'optique intégrée offre une plate-forme prometteuse pour de telles démonstrations. »
