Dans une nouvelle étude publiée dans Lettres d'examen physiqueles scientifiques ont découvert une nouvelle approche pour détecter les propriétés quantiques d'un système en utilisant simplement la chaleur comme témoin, ne nécessitant aucune mesure directe du système quantique lui-même.
L'étude propose de connecter la thermodynamique à la théorie de l'information quantique, s'inspirant du concept du démon de Maxwell.
Le concept proposé au 19e siècle implique une entité imaginaire, le démon de Maxwell, qui peut trier les molécules de gaz par leurs vitesses à l'intérieur d'une boîte fermée, violant apparemment la deuxième loi de la thermodynamique.
Issues.fr s'est entretenu avec les auteurs de l'étude, le Dr Alexsandre de Oliveira Junior et le professeur Jonatan Bohr Brask de l'Université technique du Danemark, et le professeur Patryk Lipka-Bartosik de l'Université jagiellonienne en Pologne.
« Inspiré par le démon de Maxwell, une célèbre expérience de pensée en physique, nous avons exploré ce qui se passe lorsque la mémoire classique est remplacée par une quantique », a expliqué le Dr Oliveira Junior.
« Cela nous a amenés à découvrir un lien fondamental entre le flux de chaleur et les propriétés quantiques uniques. Nous avons constaté que les systèmes quantiques révèlent leurs traits spéciaux simplement en échangeant de la chaleur avec leur environnement. »
Mesurer les propriétés quantiques
Les méthodes traditionnelles pour observer les propriétés quantiques d'un système, comme l'intrication et la cohérence, s'appuient sur des mesures spécifiques qui effondrent l'état quantique du système.
Cette méthode détruit les informations quantiques stockées dans le système. Les méthodes traditionnelles introduisent également du bruit dans le système car elles nécessitent une entrée externe pour effectuer les mesures.
La nouvelle approche offre une alternative.
Le professeur Brask explique: « Ce qui rend notre approche passionnante, c'est qu'elle ne reposait pas sur un modèle ou un système spécifique. » Au lieu de cela, nous pouvons explorer des contraintes fondamentales sur l'échange de chaleur dans un processus quantique simplement en mesurant un ancilla thermique ou un bain de chaleur, agissant comme environnement. «
L'idée fondamentale est que la cohérence influence le transfert d'énergie d'une manière que les systèmes classiques ne peuvent pas reproduire, permettant une détection indirecte.
Par conséquent, les propriétés quantiques du système peuvent être détectées en observant les signatures thermiques lorsqu'elle interagit avec l'environnement ou le bain de chaleur.
Comment ça marche
Les chercheurs ont développé un cadre théorique où un système quantique principal interagit avec un environnement thermique.
Une mémoire quantique agit comme un catalyseur pour cette interaction sans échanger d'énergie. Au lieu de cela, il affecte la dynamique de la façon dont la chaleur circule entre le système et l'environnement en tenant des informations quantiques.
Les chercheurs ont expliqué le processus en utilisant un exemple intuitif.
Alice et Bob veulent déterminer si leur état quantique partagé est enchevêtré. Ils utilisent deux systèmes supplémentaires, l'un agissant comme un bain thermique et un autre comme mémoire quantique, sans restrictions sur leur taille.
Tout d'abord, ils mesurent l'ancilla thermique pour vérifier son énergie initiale. Ensuite, ils appliquent une opération unitaire qui relie les trois systèmes et leur permet d'évoluer.
La mémoire quantique joue ici un rôle crucial. Parce que c'est de nature quantique, il peut former des connexions quantiques avec le système, ce qu'une mémoire classique ne peut pas.
Ces connexions quantiques permettent à la chaleur de s'écouler entre le système et le bain de manière unique qui dépendent de la question de savoir si le système d'origine possède des propriétés quantiques comme l'enchevêtrement. En d'autres termes, il ouvre des voies pour le flux de chaleur qui n'existe que lorsque des propriétés quantiques sont présentes.
Après l'interaction, ils mesurent à nouveau l'ancilla thermique pour voir à quel point son énergie a changé. En comparant cette différence d'énergie à nos limites théoriques, ils peuvent vérifier si le résultat tombe en dehors de la plage attendue. Si c'est le cas, c'est un signe clair que leur état est empêtré.
Cette plage a été dérivée à l'aide d'un cadre mathématique développé par les chercheurs sur la base d'un échange de chaleur optimal.
Applications et impact plus large
Les chercheurs ont démontré leur approche de témoins basée sur la chaleur avec deux exemples: la détection et la certification de cohérence de l'entrée.
Ils mettent également en évidence sa mise en œuvre dans les plateformes expérimentales actuelles.
Le professeur Lipka-Bartosik a déclaré: « Notre approche peut être mise en œuvre dans des configurations expérimentales de pointe.
L'équipe suggère également que d'autres plates-formes, telles que les appareils à électrons uniques et les ions piégés, pourraient vérifier leurs résultats, ayant déjà été utilisé pour tester des idées connexes.
En établissant une relation entre la thermodynamique et la théorie de l'information quantique, la recherche ouvre de nouvelles voies pour étudier les propriétés quantiques.
En parlant d'offres futures, les chercheurs mettent en évidence la généralisation de l'approche pour certifier et quantifier les corrélations quantiques multipartites.
« Il est bien connu que la mesure de telles corrélations vient généralement avec un coût exponentiel. Cela soulève naturellement la question de savoir s'il est possible de construire des témoins qui permettent une mesure pratique des corrélations quantiques multipartites basées sur des différences d'échange de chaleur », a expliqué le Dr Oliveira Junior.
Avec les progrès des technologies quantiques, cette approche pourrait jouer un rôle crucial dans le développement d'applications quantiques pratiques.
