Les technologies quantiques, y compris les capteurs avancés et les futurs ordinateurs quantiques, dépendent de l'intrication – cette connexion étrange où les particules s'influencent mutuellement d'une manière qui donnerait des maux de tête à n'importe quel physicien classique. Créer ces états intriqués sophistiqués a traditionnellement nécessité un équipement complexe et des systèmes expérimentaux soigneusement conçus, parce que rien de valable en physique ne vient facilement.
Des chercheurs de la Pritzker School of Molecular Engineering de l'Université de Chicago (UChicago PME) ont maintenant proposé une approche beaucoup plus simple. Leur nouvelle méthode théorique peut générer et contrôler une large gamme d'états quantiques intriqués en utilisant des outils déjà courants dans de nombreux laboratoires de physique quantique. Les travaux, publiés dans Physical Review X, pourraient aider à faire progresser la détection quantique ultra-précise et ouvrir de nouvelles opportunités pour explorer la physique fondamentale.
« Nous voulions prendre des ingrédients simples que l'on trouve dans de nombreuses plateformes physiques et les assembler de manière minimale pour obtenir quelque chose d'intéressant, complexe et puissant », a déclaré Aashish Clerk, professeur d'ingénierie moléculaire à l'UChicago PME et auteur principal de la nouvelle étude. La recherche a été soutenue par Q-NEXT, un centre de recherche national en science de l'information quantique du Département américain de l'énergie (DOE) dirigé par le laboratoire national d'Argonne du DOE.
L'approche de l'équipe est basée sur l'électrodynamique quantique en cavité (cavité QED), où des atomes sont placés à l'intérieur d'une cavité optique – deux miroirs qui piègent la lumière entre eux. Les particules interagissent ensuite avec la lumière confinée. Le problème ? Dans de nombreux systèmes de cavité QED, tous les atomes interagissent avec la lumière exactement de la même manière, ce qui les rend effectivement indiscernables et restreint la gamme d'états quantiques pouvant être produits.
« Le défi a toujours été que ces systèmes ont trop de symétrie », a déclaré Clerk. « Tous les atomes parlent à la lumière de la même manière. Cela restreint vraiment le type d'états intriqués que vous obtenez. »
Les chercheurs ont trouvé une solution simple : bien que tous les atomes continuent d'être entraînés par le même laser, des lasers supplémentaires ou des champs magnétiques déplacent les énergies des états excités de différents groupes d'atomes. Chaque atome est associé à un autre qui a un décalage énergétique égal mais opposé. Cette modification simple brise la symétrie tout en gardant le système contrôlable et prévisible. En ajustant quels atomes reçoivent des décalages d'énergie particuliers, les scientifiques peuvent accorder le système pour produire une variété d'états intriqués sans changer le matériel.
« Vous allumez ces lasers et attendez, et à un moment donné, le système se stabilise en un état quantique intéressant et hautement intriqué », a déclaré Anjun Chu, chercheur postdoctoral dans le groupe Clerk et premier auteur du nouveau travail. « En ajustant simplement les lasers, nous pouvons accéder à des types d'états intriqués auxquels personne n'avait pensé auparavant. »
Une application prometteuse est la détection quantique. Les états quantiques intriqués peuvent détecter de minuscules différences dans les champs magnétiques ou gravitationnels entre des emplacements séparés. Cependant, développer des états à la fois très sensibles et résistants au bruit a été un défi majeur. Les chercheurs ont démontré qu'une version de leur système avec deux groupes d'atomes pouvait mesurer des gradients de champ – lorsque les deux ensembles atomiques sont placés à des endroits différents, l'état quantique résultant reflète la différence entre les champs magnétiques ou gravitationnels locaux tout en rejetant le bruit de fond qui affecte les deux emplacements de manière égale.
« Vous êtes capable de faire deux choses qui ne sont normalement pas compatibles l'une avec l'autre : utiliser l'intrication pour construire un capteur extrêmement sensible mais aussi avoir une robustesse face à des quantités arbitrairement grandes de bruit », a déclaré Clerk. « Normalement, l'intrication est très fragile. Cette approche a une résilience étonnante. »
Un autre avantage : les informations stockées dans ces états quantiques peuvent être extraites en utilisant des techniques de mesure Ramsey standard, éliminant le besoin de méthodes spécialisées. Les chercheurs ont également montré que la même plateforme peut gén