Exploiter la puissance de la diffusion quantique virtuelle

Dans une nouvelle étude, les scientifiques proposent le concept de « diffusion quantique virtuelle », qui constitue une solution de contournement au théorème de non-clonage de longue date, offrant ainsi de nouvelles possibilités pour la transmission d’informations quantiques.

L’étudePublié dans Lettres d’examen physique, décrit une carte de diffusion virtuelle qui crée « virtuellement » des copies corrélées. Grâce à une série de quatre théorèmes, les chercheurs établissent la viabilité de cette carte, qui permet de créer des copies corrélées d’états quantiques au fil du temps.

En outre, les chercheurs démontrent la robustesse du cadre canonique, prouvent son approximation physique du cloneur universel et détaillent comment la carte peut être implémentée.

La diffusion quantique virtuelle promet d’avoir un impact sur de nombreux domaines du traitement de l’information quantique en exploitant les corrélations temporelles, évitant ainsi les limitations imposées par le théorème de non-clonage.

Pourquoi ne pouvons-nous pas copier et coller ?

La mécanique quantique, bien qu’incroyablement puissante, est conçue de telle sorte qu’elle empêche la réplication ou la copie des informations. Un état quantique encapsule toutes les informations pertinentes dans le système et s’effondre ou change en l’un des résultats possibles de la mesure lorsqu’il est mesuré ou observé.

Cela signifie que nous ne pouvons pas copier l’État puisqu’il doit être mesuré pour pouvoir le faire. Ce principe est connu sous le nom de théorème de non-clonage. En termes plus simples, vous ne pouvez pas simplement copier et coller des informations quantiques comme vous le feriez avec des données classiques.

Cette limitation constitue un obstacle important pour les systèmes de communication quantique qui reposent sur la capacité de transmettre et de reproduire efficacement des informations quantiques.

L’équipe de recherche était composée du professeur Arthur Parzygnat du MIT, du professeur James Fullwood de l’université de Hainan, du professeur Francesco Buscemi de l’université de Nagoya et du professeur Giulio Chiribella de l’université de Hong Kong, qui ont expliqué leur motivation à Phys.org.

Ils ont été motivés par ce problème posé par le théorème de non-clonage. Leur objectif était d’étudier l’évolution des états quantiques au fil du temps et de comprendre ce que « corrélation n’implique pas de causalité » signifiait pour les états purement quantiques.

Diffusion quantique virtuelle

« Notre solution a consisté à introduire des canaux de diffusion quantiques virtuels qui, bien qu’ils ne soient pas de véritables processus physiques, ont de nombreuses applications importantes dans le traitement de l’information quantique », a expliqué le professeur Parzygnat.

Contrairement aux méthodes de copie traditionnelles, interdites par le théorème de non-clonage, ces canaux ou cartes de diffusion virtuelle fonctionnent virtuellement, ce qui signifie qu’ils n’impliquent pas de réplication physique directe.

Au lieu de cela, la carte établit des corrélations entre différentes instances d’un état quantique, permettant ainsi la transmission d’informations sans violer les principes fondamentaux de la mécanique quantique.

La carte de diffusion virtuelle est unique et satisfait trois axiomes simples, que les chercheurs exposent dans le théorème 1. Les axiomes régissant la carte de diffusion virtuelle garantissent la cohérence en cas de changements :

Le cadre de référence.

Symétrie entre les extrémités réceptrices.

La capacité de copier des informations classiques sans être affectées par la décohérence.

Ce sont les exigences de base d’une carte de diffusion virtuelle.

Les chercheurs prouvent en outre (dans le théorème 2) qu’une approximation physique d’une telle carte pourrait être créée à l’aide d’un cloneur universel, un dispositif capable de réaliser les copies les plus fidèles possibles d’un état quantique arbitraire.

Les chercheurs montrent ensuite comment la carte de diffusion peut être obtenue par décomposition (théorème 3). Il établit que la carte peut se décomposer en deux opérations :

Un protocole de mesure et de préparation consiste à effectuer une mesure virtuelle sur le système quantique pour créer un virtuel effectuant une mesure virtuelle sur le système quantique.

Ensuite, deux copies de l’état quantique virtuel sont générées sur la base des résultats de la mesure virtuelle effectuée à l’étape précédente.

Enfin, ils établissent (dans le théorème 4) l’équivalence entre l’action d’une fonction d’évolution temporelle et l’action de la carte virtuelle de diffusion sur tout état arbitraire. Cela implique que la carte de diffusion virtuelle se comporte comme une opération temporelle, permettant la création de copies virtuelles corrélées d’états quantiques au fil du temps.

« La caractéristique la plus intéressante de ce travail est que la carte est caractérisée de manière unique par un ensemble simple d’exigences naturelles. C’est pourquoi nous l’appelons canonique. Une propriété aussi unique, à son tour, semble pointer vers une toute nouvelle partie de la théorie quantique, c’est-à-dire sa structure temporelle, qui est encore largement inexplorée », a expliqué le professeur Buscemi.

Impact sur les applications quantiques

En établissant un théorème de diffusion quantique virtuelle, les chercheurs ont ouvert une multitude de nouvelles possibilités pour l’informatique quantique, l’information quantique et la cryptographie quantique.

« Une piste que je trouve particulièrement intéressante et sur laquelle je travaille actuellement avec le professeur Parzygnat est la manière dont un état de diffusion virtuelle peut potentiellement coder les statistiques de mesure de deux mesures séparées dans le temps dans un laboratoire donné », a déclaré le professeur Fullwood.

Ce phénomène suggère que l’état de diffusion virtuelle, tel que décrit, capture non seulement les valeurs attendues, mais également les probabilités de résultats de mesures conjointes.

Cela conforte l’interprétation de la diffusion virtuelle comme un processus spatio-temporel qui reflète le flux d’informations quantiques au fil du temps, « de la même manière que l’espace-temps encapsule l’évolution de l’espace au fil du temps », a ajouté le professeur Fullwood.

Les chercheurs soulignent également que la diffusion virtuelle révèle la structure cachée derrière de nombreuses technologies de l’information quantique. Le professeur Chiribella explique cela avec un exemple dans le contexte de la communication quantique : « Une façon naturelle pour une personne indiscrète d’accéder à un canal de communication quantique est de tenter de copier des états quantiques. »

« Il s’avère que la meilleure façon approximative de copier l’état quantique est de réaliser une approximation physique de notre diffusion virtuelle. »

Cette compréhension peut améliorer les mesures de sécurité dans la communication quantique en offrant un aperçu des techniques d’écoute potentielles et de leurs contre-mesures.

Les chercheurs nous montrent que nous entrons dans un nouveau domaine de la théorie quantique auparavant considéré comme peu orthodoxe ou interdit, comme la mesure directe de la précision des dispositifs quantiques, comme le permet la carte de diffusion virtuelle.

« Peut-être que les réponses à de nombreuses questions fondamentales peuvent être trouvées ici », a conclu le professeur Buscemi.

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