Dans un nouveau Lettres d’examen physique étude, les scientifiques ont présenté avec succès une preuve de concept pour démontrer un test sans caractère aléatoire pour les corrélations quantiques et les mesures non projectives, offrant une alternative révolutionnaire aux tests quantiques traditionnels qui reposent sur des entrées aléatoires.
La « corrélation quantique » est un phénomène fondamental en mécanique quantique et au cœur des applications quantiques telles que la communication, la cryptographie, l’informatique et le traitement de l’information.
L’inégalité de Bell, ou théorie de Bell, du nom du physicien John Stewart Bell, est le test standard utilisé pour déterminer la nature de la corrélation. Cependant, l’un des défis liés à l’utilisation du théorème de Bell est l’exigence de caractère aléatoire pour la sélection des paramètres de mesure.
En d’autres termes, les entrées pour l’expérience doivent être véritablement aléatoires, ce qui constitue le défi. De plus, le caractère aléatoire des semences peut être coûteux et vulnérable aux failles.
La nouvelle étude, dirigée par le Dr Jacquiline Romero de l’Université du Queensland et du Centre d’excellence du Conseil australien de la recherche pour les systèmes quantiques techniques, élimine le besoin de ce caractère aléatoire en proposant un test alternatif.
Le Dr Romero a expliqué cela à Phys.org en déclarant : « Notre travail supprime cette exigence stricte en matière de caractère aléatoire. Nous démontrons que le caractère aléatoire partagé (ou corrélé) acquis à partir de pièces enchevêtrées ne peut pas être reproduit en utilisant deux pièces classiquement corrélées à deux niveaux. Cette découverte nous permet d’établir un avantage quantique dans le jeu de jouets décrit dans notre article. »
Elle a également exprimé son enthousiasme pour cette recherche en déclarant : « Je suis toujours à la recherche d’expériences qui mettent en évidence la différence entre l’information classique et quantique, car ces expériences suscitent la curiosité. »
L’inégalité de Bell et l’indépendance des appareils
La mise en œuvre réelle de systèmes et de protocoles quantiques est un défi pour de nombreuses raisons. L’un des principaux défis est la nécessité d’une modélisation idéalisée et d’une compréhension détaillée de toutes ses parties. Sans cette connaissance, ces protocoles deviennent vulnérables à diverses menaces.
Cependant, en réalité, nous ne disposons pas de toutes les informations sur le système quantique. Le co-auteur de l’étude, le Dr Manik Banik du Centre national SN Bose pour les sciences fondamentales en Inde, a expliqué : « En pratique, l’inégalité de Bell sert d’outil crucial pour certifier la non-classicité d’une manière « indépendante du périphérique ». permettant des protocoles totalement indépendants des appareils sans connaissance détaillée des opérations des appareils quantiques.
« Cependant, les scénarios pratiques impliquent souvent une connaissance partielle des caractéristiques des appareils, ce qui conduit à une semi-indépendance des appareils. »
Dans ces situations, nous possédons certaines informations sur le système quantique, telles que les dimensions des sous-systèmes impliqués, mais pas une compréhension complète de son fonctionnement interne. C’est précisément ce que l’équipe a fait.
« Nous proposons une solution à cette tâche de certification non classique à partir des statistiques de sortie uniquement, mais des informations supplémentaires sur le fonctionnement interne de l’appareil sont nécessaires, à savoir la dimension opérationnelle. Cette connaissance supplémentaire, quoique minimale, sur l’appareil considère la technique comme un semi-indépendant de l’appareil. statut », a expliqué un autre co-auteur, Some Sankar Bhattacharya, de l’Université de Gdansk, en Pologne.
Photons intriqués, Alice et Bob
Le dispositif expérimental de l’équipe reposait sur la production de photons intriqués à l’aide d’un cristal non linéaire via un processus connu sous le nom de conversion paramétrique spontanée (SPDC).
Essentiellement, le processus SPDC dans un cristal non linéaire prend les photons de pompe à haute énergie, les absorbe et génère spontanément des paires de photons intriqués de plus faible énergie.
Les photons intriqués ont ensuite été envoyés au hasard aux deux parties, Alice et Bob, à l’aide d’un séparateur de faisceau. Alice et Bob ont mesuré les modes spatiaux des photons, propriété décrivant la manière dont les photons sont distribués dans l’espace.
Pour effectuer les mesures sur les photons intriqués, Alice et Bob ont utilisé des mesures à valeurs d’opérateur positives en trigone qubit ou POVM, qui sont un ensemble d’opérateurs de mesure représentant des mesures non projectives.
Les mesures non projectives sont des mesures quantiques qui vont au-delà des mesures projectives standards, permettant une caractérisation plus complète des systèmes quantiques.
Ensuite, l’équipe a enregistré les résultats chaque fois qu’il y avait un résultat corrélé entre Alice et Bob. Ils ont ensuite effectué des calculs pour déterminer des distributions de probabilité conjointes, ce qui leur a permis d’évaluer la probabilité d’obtenir des résultats de mesure spécifiques corrélés entre Alice et Bob.
Par exemple, s’ils jouaient à un jeu avec les photons intriqués et mesuraient s’ils avaient tous deux une tête (H) ou une queue (T), une distribution de probabilité conjointe leur indiquerait la probabilité que les deux obtiennent H, que les deux obtiennent T ou que l’un obtienne H et l’autre reçoivent T.
La configuration est semi-indépendante de l’appareil car les seules variables connues étaient l’entrée (photons intriqués) et la sortie (mesures).
Avantage quantique et hasard partagé
Dans le domaine des systèmes quantiques, la notion d’avantage quantique remet en question les notions classiques de hasard. Dans cette expérience, il s’agit de démontrer un hasard partagé.
Les systèmes classiques, comme le tirage au sort, attribuent des probabilités prédéterminées à chaque résultat possible. Par exemple, une pièce équitable a 50 % de chances d’atterrir sur H ou T à chaque lancer. Cependant, dans un système quantique, nous observons des résultats corrélés qui semblent entièrement aléatoires mais qui sont fondamentalement intriqués.
Imaginez un scénario dans lequel Alice et Bob lancent indépendamment leurs pièces respectives. Il est remarquable que les résultats de leurs tirages à pile ou face soient mystérieusement liés. Quand Alice obtient un H, Bob obtient simultanément un H, et quand Alice obtient un T, Bob obtient également un T.
Ce caractère aléatoire partagé est établi par l’intrication quantique, où les particules deviennent interconnectées et leurs propriétés restent corrélées quelle que soit la séparation physique.
L’équipe a démontré un avantage quantique grâce à son expérience en montrant que la pièce corrélée obtenue à partir des photons intriqués ne peut pas être répliquée à l’aide de deux pièces corrélées classiques à deux niveaux.
Le Dr Romero a expliqué ses implications pour le traitement de l’information quantique : « Le caractère aléatoire partagé (ou corrélé) est une ressource utile pour de nombreuses tâches. »
« Les protocoles de communication quantique, tels que certains schémas de partage de secrets ou les calculs quantiques impliquant un composant de distribution aléatoire (dont il a été démontré qu’ils améliorent la sécurité), devraient bénéficier de nos résultats. »
Pour de futures études, elle espère explorer la possibilité de rendre l’avantage quantique indépendant du dispositif et de le démontrer expérimentalement.
Plus d’information:
Zhonghua Ma et al, Test de non-classicité sans hasard : une preuve de concept, Lettres d’examen physique (2023). DOI : 10.1103/PhysRevLett.131.130201
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