Dans le monde qui nous entoure, les processus semblent suivre une certaine direction temporelle : les pissenlits finissent par se transformer en boules de soufflage. Cependant, le domaine quantique ne joue pas selon les mêmes règles. Des physiciens de l’Université de Vienne et de l’IQOQI de Vienne ont maintenant montré que pour certains systèmes quantiques, la direction temporelle des processus peut être inversée. Cette démonstration d’un protocole dit de rembobinage a été publiée dans Optique.
La vie quotidienne est pleine de changements bien compris, mais pratiquement impossibles à inverser ; par exemple, la métamorphose d’un pissenlit en boule de soufflage. Cependant, on pourrait imaginer défaire cette transformation, étape par étape, si l’on savait précisément comment chaque molécule de la plante se déplaçait dans le temps. Dans le domaine quantique, le problème devient encore plus délicat : l’un des principes fondamentaux de la physique quantique est que la simple observation d’un système le fait changer.
Cela rend impossible, même en principe, de suivre l’évolution d’un système dans le temps et d’inverser le processus. Cependant, dans le même temps, les lois de la mécanique quantique ouvrent également de nouvelles possibilités telles que les protocoles de rembobinage universels. Ceux-ci permettent d’inverser les changements dans un système quantique sans savoir ce qu’ils étaient.
Dans le cadre d’une collaboration entre l’Université de Vienne et l’IQOQI Vienne, des physiciens expérimentaux dirigés par Philip Walther ont mis en œuvre avec succès un tel protocole de rembobinage universel développé par des physiciens théoriciens dirigés par Miguel Navascués. En combinant ce nouveau protocole théorique avec une configuration optique complexe, le groupe a montré qu’il est en effet possible d’inverser les changements d’un système quantique. Pour cela, ils ont utilisé des composants à fibres optiques ultra-rapides et des interféromètres en espace libre disposés en commutateur quantique.
Ils ont réussi à inverser l’évolution temporelle d’un seul photon sans savoir comment il changeait dans le temps, ni même quels étaient ses états initial et final. « Remarquablement, ce protocole n’exige même pas que la nature des interactions avec le système quantique soit connue », explique Peter Schiansky, premier auteur de la publication.
Leur protocole de rembobinage universel est d’une efficacité optimale dans son exécution et peut être étendu pour réussir avec une probabilité arbitrairement élevée. La preuve que les protocoles de rembobinage existent sous cette forme générale et qu’ils sont techniquement réalisables contribue à notre compréhension de la mécanique quantique fondamentale. À l’avenir, ces protocoles pourraient devenir un outil utile dans les technologies de l’information quantique.
Plus d’information:
P. Schiansky et al, Démonstration de l’inversion temporelle universelle pour les processus qubit, Optique (2022). DOI : 10.1364/OPTICA.469109