Une étude révèle les limitations existantes dans la détection de l’enchevêtrement

L’intrication quantique est un processus par lequel deux particules s’enchevêtrent et restent connectées au fil du temps, même lorsqu’elles sont séparées par de grandes distances. La détection de ce phénomène est d’une importance cruciale à la fois pour le développement de la technologie quantique et pour l’étude de la physique quantique à plusieurs corps.

Des chercheurs de Tsinghua ont récemment mené une étude explorant les raisons possibles pour lesquelles la détection fiable et efficace de l’enchevêtrement dans des systèmes complexes et « bruyants » s’est souvent avérée très difficile. Leurs conclusions, publiées dans Lettres d’examen physiquesuggèrent l’existence d’un compromis entre l’efficacité et l’efficience des méthodes de détection d’enchevêtrement.

« Il y a plus de 20 ans, les chercheurs ont découvert que la plupart des états quantiques sont intriqués », a déclaré Xiongfeng Ma, l’un des chercheurs qui a mené l’étude, à Phys.org.

« Cela signifie que, par exemple, si nous parvenons à construire un système de 100 qubits, disons un système informatique quantique supraconducteur ou à piège à ions, ce système évoluera pendant un certain temps, au cours duquel les qubits interagissent de manière intensive les uns avec les autres. Bien sûr, il y aura des erreurs, donc pour maintenir un bon contrôle cohérent, nous isolons raisonnablement le système de l’environnement. Tant que la pureté (quantifiant l’efficacité de notre effort d’isolement) n’est pas exponentiellement petite avec le nombre de qubits, le système est très susceptible d’être empêtré. »

Alors que l’intrication peut théoriquement sembler assez simple à réaliser, sa réalisation dans des contextes expérimentaux est en fait très difficile. Des études ont montré qu’il est particulièrement difficile dans les grands systèmes quantiques, tels que systèmes composés de 18 qubits. L’objectif principal des travaux récents de Ma et de ses collègues était de mieux comprendre les défis associés à la détection de l’intrication dans les grands systèmes.

« Les chercheurs ont progressivement réalisé que si la préparation de l’état intriqué pour un grand système pouvait être facile, la détection de l’intrication pouvait être très difficile dans la pratique », a expliqué Ma. « Dans notre travail, nous établissons une formulation mathématique pour quantifier l’efficacité d’une méthode de détection d’intrication. Nous employons une distribution d’état quantique appropriée, utilisons le rapport d’état intriqué détectable pour quantifier son efficacité, et quantifions également l’efficacité d’une méthode de détection d’intrication. par le nombre d’observables nécessaires pour cette méthode. »

Ma et ses collègues ont d’abord examiné ce qui est sans doute le protocole de détection d’enchevêtrement le plus simple disponible aujourd’hui, connu sous le nom de témoins d’enchevêtrement. Ils ont montré que la capacité de ce protocole à détecter l’enchevêtrement diminue d’une valeur exponentielle double à mesure que le système s’agrandit.

Les chercheurs ont ensuite découvert que cette réduction d’efficacité liée à la taille d’un système affectait également d’autres protocoles de détection d’enchevêtrement. Après une série de considérations théoriques, ils ont pu étendre leurs observations des performances de la méthode des témoins d’intrication à des protocoles d’intrication arbitraires qui reposent sur des mesures d’état quantique à copie unique.

« Pour un état aléatoire couplé à l’environnement, tout protocole de détection d’enchevêtrement avec réalisation en une seule copie est soit inefficace, soit inefficace », a déclaré Ma. « Inefficace signifie que le protocole repose sur la mesure d’un nombre exponentiel d’observables et inefficace signifie que le taux de réussite de l’enchevêtrement est doublement exponentiel. »

Essentiellement, Ma et ses collègues ont montré que pour observer l’intrication à grande échelle, les chercheurs doivent être capables de contrôler toutes les interactions dans un système avec une grande précision et connaître presque toutes les informations les concernant. Lorsqu’il y a beaucoup d’incertitude sur le système, la probabilité de détecter son intrication est donc très faible, même si l’on est presque certain de son apparition.

« Nous avons prouvé qu’aucun protocole de détection d’enchevêtrement n’est à la fois efficace et efficace », a expliqué Ma. « Cela pourrait aider à la conception de protocoles de détection d’enchevêtrement à l’avenir. En attendant, la détection d’un enchevêtrement à grande échelle pourrait être un bon indicateur pour comparer différents systèmes informatiques quantiques. Par exemple, lorsqu’une équipe de laboratoire prétend avoir construit un système de centaines de qubits , ils devraient détecter l’enchevêtrement. Sinon, ils n’ont pas assez bien contrôlé le système. »

Dans l’ensemble, les résultats recueillis par cette équipe de chercheurs mettent en évidence l’existence d’un compromis entre l’efficience et l’efficacité des méthodes de détection d’enchevêtrement existantes. En outre, ils offrent des informations précieuses sur les raisons pour lesquelles la détection de l’intrication dans les systèmes quantiques à grande échelle et bruyants est si difficile.

« Notre résultat ne nous empêche pas de concevoir un protocole à la fois efficient et efficace lorsque le système est bien contrôlé (c’est-à-dire que l’environnement couplé est relativement petit) », a ajouté Ma. « Actuellement, nous n’avons que des protocoles de détection d’enchevêtrement qui fonctionnent bien pour les états purs, tels que les témoins d’enchevêtrement, et des protocoles qui fonctionnent pour les grands environnements au détriment d’un coût exponentiel. Nous avons remarqué qu’un protocole de détection d’enchevêtrement qui fonctionne pour une taille d’environnement modérée avec relativement le low cost fait toujours défaut, et nous voudrions maintenant essayer d’en développer un. »

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