Des chercheurs de Google dévoilent une forme unique de téléportation quantique

Les mesures peuvent modifier radicalement le comportement d’un système quantique. Les scientifiques étudient ce phénomène pour comprendre ses implications sur la distribution et l’organisation des données dans les ordinateurs quantiques.

La mécanique quantique regorge de phénomènes étranges, mais aucun n’est peut-être aussi étrange que le rôle que joue la mesure dans la théorie. Puisqu’une mesure tend à détruire le « caractère quantique » d’un système, elle semble être le lien mystérieux entre le monde quantique et classique.

De plus, lorsqu’il s’agit d’un vaste système d’unités de données quantiques appelés « qubits », l’impact des mesures peut conduire à des résultats profondément différents, voire même conduire à l’émergence de phases entièrement nouvelles de l’information quantique.

Cela se produit lorsque deux effets concurrents se rencontrent : les interactions et la mesure. Dans un système quantique, lorsque les qubits interagissent les uns avec les autres, leurs informations sont partagées de manière non locale dans un « état intriqué ».

Mais si vous mesurez le système, l’intrication est détruite. La bataille entre mesure et interactions mène à deux phases distinctes : une où les interactions dominent et l’intrication est généralisée, et une où les mesures dominent et où l’intrication est supprimée.

Recherche révolutionnaire sur les phases quantiques

Dans une étude récemment publiée dans Naturedes chercheurs de Google Quantum AI et de l’Université de Stanford ont observé le croisement entre ces deux régimes – connu sous le nom de « transition de phase induite par la mesure » – dans un système allant jusqu’à 70 qubits.

Il s’agit de loin du plus grand système dans lequel les effets induits par les mesures ont été explorés. Les chercheurs ont également vu les signatures d’une nouvelle forme de « téléportation quantique » – dans laquelle un état quantique inconnu est transféré d’un ensemble de qubits à un autre – qui émerge à la suite de ces mesures. Ces études pourraient contribuer à inspirer de nouvelles techniques utiles pour l’informatique quantique.

Visualiser l’enchevêtrement

On peut visualiser l’intrication dans un système de qubits comme un réseau complexe de connexions. Lorsque nous mesurons un système intriqué, l’impact qu’il a sur la toile dépend de la force de la mesure. Il pourrait détruire complètement la toile, ou couper et élaguer certains brins de la toile, mais en laisser d’autres intacts.

Il est notoirement difficile de voir réellement ce réseau d’intrications dans une expérience. Le Web lui-même est invisible, de sorte que les chercheurs ne peuvent déduire son existence qu’en observant des corrélations statistiques entre les résultats des mesures des qubits.

De très nombreuses exécutions de la même expérience sont nécessaires pour déduire le modèle du Web. Ce problème, ainsi que d’autres, ont tourmenté les expériences passées et limité l’étude des transitions de phase induites par les mesures à des systèmes de très petite taille.

Relever les défis expérimentaux

Pour relever ces défis, les chercheurs ont eu recours à quelques tours de passe-passe expérimentaux. Premièrement, ils ont réorganisé l’ordre des opérations de manière à ce que toutes les mesures puissent être effectuées à la fin de l’expérience, plutôt qu’entrelacées tout au long, réduisant ainsi la complexité de l’expérience. Deuxièmement, ils ont développé une nouvelle façon de mesurer certaines fonctionnalités du Web avec un seul qubit « sonde ».

De cette façon, ils ont pu en apprendre davantage sur la toile d’intrication en effectuant moins d’expériences que ce qui était nécessaire auparavant. Enfin, la sonde, comme tous les qubits, était sensible aux bruits indésirables de l’environnement.

Ceci est normalement considéré comme une mauvaise chose, car le bruit peut perturber les calculs quantiques, mais les chercheurs ont transformé ce bug en fonctionnalité en notant que la sensibilité de la sonde au bruit dépendait de la nature du réseau d’intrication qui l’entoure. Ils pourraient donc utiliser la sensibilité au bruit de la sonde pour déduire l’intrication de l’ensemble du système.

Principales observations et implications

L’équipe a d’abord examiné cette différence de sensibilité au bruit dans les deux régimes d’intrication et a découvert des comportements nettement différents. Lorsque les mesures dominaient les interactions (la « phase de démêlage »), les brins de la toile restaient relativement courts.

Le qubit de la sonde n’était sensible qu’au bruit de ses qubits les plus proches. En revanche, lorsque les mesures étaient plus faibles et que l’intrication était plus répandue (la « phase d’intrication »), la sonde était sensible au bruit dans l’ensemble du système. Le croisement entre ces deux comportements très contrastés est une signature de la transition de phase recherchée induite par la mesure.

L’équipe a également démontré une nouvelle forme de téléportation quantique qui a émergé naturellement des mesures : en mesurant tous les qubits distants sauf deux dans un état faiblement intriqué, une intrication plus forte a été générée entre ces deux qubits distants. La capacité de générer un enchevêtrement induit par la mesure sur de longues distances permet la téléportation observée dans l’expérience.

La stabilité de l’intrication par rapport aux mesures effectuées pendant la phase d’intrication pourrait inspirer de nouveaux projets visant à rendre l’informatique quantique plus robuste au bruit. Le rôle que jouent les mesures dans la conduite de nouvelles phases et de nouveaux phénomènes physiques présente également un intérêt fondamental pour les physiciens.

Vedika Khemani, professeur à Stanford et co-auteur de l’étude, déclare : « L’intégration de mesures dans la dynamique introduit un tout nouveau terrain de jeu pour la physique à N corps, où de nombreux types fascinants et nouveaux de phases hors équilibre pourraient être trouvés. Nous explorons quelques-uns de ces phénomènes frappants et contre-intuitifs induits par les mesures dans ce travail, mais il y a beaucoup plus de richesse à découvrir dans le futur.