La maîtrise et la manipulation des états quantiques, notamment l’intrication, sont essentielles pour le fonctionnement des technologies quantiques. L’intrication quantique décrit ce phénomène où la mesure d’une particule détermine instantanément l’état d’une autre, même à distance, défiant toute explication intuitive. Cependant, cette propriété fragile est sensible au bruit, c’est-à-dire aux interactions aléatoires avec l’environnement, ce qui compromet la qualité des états quantiques et limite les performances des technologies associées.
Crédit : Fang et al.
Une avancée expérimentale dans la récupération des corrélations quantiques
Des chercheurs de l’Université de Shandong en Chine et de l’Université nationale Cheng Kung à Taïwan ont récemment franchi une étape clé en expérimentant une méthode pour extraire des corrélations quantiques cachées dans des états intriqués de dimensions supérieures. Le procédé repose sur l’application d’une opération appelée filtrage local sur une seule copie (Single-Copy Local Filtering, ScLF), détaillée dans un article publié dans Physical Review Letters.
He Lu, coauteur principal de l’étude, souligne que la préparation et la manipulation de l’intrication sont toujours imparfaites, ce qui limite leur efficacité dans le traitement quantique de l’information. Les protocoles traditionnels de distillation garantissent au moins une copie d’intrication maximale à partir de plusieurs copies bruitées, mais demeurent difficiles à appliquer aux systèmes photoniques, en raison des interactions photon-photon complexes nécessaires.
Un protocole adapté aux systèmes photoniques
Bien que de nombreux protocoles de distillation aient été développés au fil des décennies, la plupart sont difficiles à mettre en œuvre sur des systèmes quantiques composés de photons, particules de lumière. Simplifier la distillation pour ces systèmes optiques représente donc un avantage majeur, tant pour la recherche fondamentale que pour le développement technologique.
En 2019, lors d’une visite chez Yeong-Cherng Liang, He Lu a découvert l’idée d’activer la puissance de téléportation grâce au filtrage local sur une seule copie, ce qui a donné naissance à cette collaboration fructueuse. Le but initial était d’observer des caractéristiques quantiques absentes à l’origine dans un type d’états mixtes dits états de Werner, en particulier la non-localité, cette propriété responsable des corrélations entre particules intriquées.
Les chercheurs souhaitaient également démontrer que cette méthode est évolutive et plus simple à appliquer sur des systèmes optiques que les protocoles classiques de distillation.
Expérimentations sur un système photoniques à deux qutrits
Pour appuyer leur approche, l’équipe a réalisé plusieurs expériences avec un système photonique à deux qutrits, où chaque qutrit peut être dans une superposition de trois états. Ils ont préparé spécifiquement des états de Werner tridimensionnels codés dans les degrés de liberté de paires de photons.
He Lu explique : « Nous avons d’abord préparé un état de Werner à deux qubits codé dans le degré de liberté de polarisation, puis utilisé un dispositif combinant déplaceurs de faisceau et plaques retardatrices pour transférer l’information quantique vers le degré de liberté du chemin. Le filtrage local sur une seule copie est assez simple : il suffit de bloquer l’un des trois chemins. »
Par ailleurs, des analyses théoriques ont confirmé l’efficacité de leur méthode dans la distillation des corrélations quantiques. Malgré quelques imperfections expérimentales, les résultats obtenus correspondaient bien aux prédictions, révélant des caractéristiques quantiques auparavant invisibles.
Vers une distillation plus accessible et évolutive
Cette avancée pourrait considérablement réduire la complexité expérimentale nécessaire pour extraire des caractéristiques quantiques utiles de systèmes affectés par le bruit. Les analyses ont montré que cette méthode est évolutive et applicable à des systèmes quantiques de dimensions supérieures.
Yeong-Cherng Liang mentionne avec enthousiasme la redécouverte de la décomposition en qubits des états de Werner, une idée déjà présentée dans les travaux de Popescu il y a 30 ans. Cette redécouverte a été cruciale pour comprendre pourquoi privilégier la projection sur un qubit plutôt que d’autres filtrages locaux sur une seule copie, ainsi que pour permettre la démonstration expérimentale. Leur travail a notamment permis la première validation expérimentale de la non-localité des états de Werner en dimensions supérieures.
Perspectives et prochaines recherches
Les chercheurs estiment que leur méthode pourrait bientôt être utilisée pour distiller la nature quantique d’autres systèmes à hautes dimensions, confirmant ainsi son potentiel. Ces résultats ont aussi des implications théoriques en remettant en question l’idée selon laquelle l’intrication ne devient utile qu’après une purification importante du bruit.
Yeong-Cherng Liang, physicien théoricien et directeur adjoint du Centre pour les Frontières Quantique de la Technologie (QFort), prévoit de concevoir un protocole de distillation encore plus efficace ou de démontrer que l’approche actuelle est déjà optimale. De son côté, He Lu et ses collaborateurs souhaitent appliquer ce nouveau protocole à des états quantiques de dimensions encore plus élevées.
« Dans ce travail, nous avons démontré la distillation sur une seule copie pour des états quantiques tridimensionnels », précise Lu. « J’aimerais explorer des états de dimension supérieure, même si l’implémentation avec de l’optique classique devient difficile. Cependant, les progrès rapides de l’optique intégrée offrent une plateforme prometteuse pour ces démonstrations. »