Les physiciens ont utilisé l’intrication pour « étirer » le principe d’incertitude

Il y a près d’un siècle, le physicien allemand Werner Heisenberg a réalisé que les lois de la mécanique quantique imposaient des limites fondamentales à la précision avec laquelle nous pouvons mesurer certaines propriétés d’objets microscopiques.

Cependant, les lois de la mécanique quantique peuvent également offrir des moyens de rendre les mesures plus précises qu’il ne serait autrement possible.

Dans une nouvelle recherche publiée dans Nature Physics , nous avons décrit un moyen d’obtenir des mesures plus précises d’objets microscopiques à l’aide d’ordinateurs quantiques. Cela pourrait s’avérer utile dans une vaste gamme de technologies de nouvelle génération, notamment la détection biomédicale, la télémétrie laser et les communications quantiques.

Nous avons également été en mesure de pousser au-delà des limites d’une variation du « principe d’incertitude » de Heisenberg dans certaines circonstances, suggérant que différents principes d’incertitude peuvent être nécessaires dans différents scénarios.

Incertitudes quantiques

Si vous souhaitez examiner les propriétés d’un gros objet du quotidien comme une voiture, c’est un processus simple.

Par exemple, une voiture a une position, une couleur et une vitesse bien définies. Vous pouvez les mesurer l’une après l’autre ou toutes en même temps sans problème. Mesurer la position de votre voiture ne changera pas sa couleur ou sa vitesse.

Cependant, cela devient beaucoup plus délicat si vous essayez d’examiner des objets quantiques microscopiques comme des électrons ou des photons (qui sont de minuscules particules de lumière).

Certaines propriétés des objets quantiques sont liées les unes aux autres. La mesure d’une propriété peut influencer une autre propriété.

Par exemple, mesurer la position d’un électron affectera sa vitesse et vice versa.

Ces propriétés sont appelées propriétés « conjuguées ».

Le lien entre ces propriétés est une manifestation directe du principe d’incertitude de Heisenberg. Il n’est pas possible de mesurer simultanément deux propriétés conjuguées d’un objet quantique avec le degré de précision souhaité : plus vous en savez sur l’une, moins vous en savez sur l’autre.

Bien que le principe d’incertitude impose une limite à la précision de certaines mesures, atteindre cette limite dans la pratique peut être très difficile. Cependant, mesurer les objets quantiques avec le plus de détails possible est important pour faire progresser la science fondamentale ainsi que pour développer de nouvelles technologies.

Objets enchevêtrés

Dans nos nouvelles recherches, nous avons conçu un moyen de déterminer plus précisément les propriétés conjuguées des objets quantiques. Nos collaborateurs ont ensuite pu réaliser cette mesure dans différents laboratoires à travers le monde.

La nouvelle technique tourne autour d’une bizarrerie étrange des systèmes quantiques, connue sous le nom d’intrication. Lorsque deux objets sont enchevêtrés, nous pouvons les mesurer avec plus de précision que s’ils n’étaient pas enchevêtrés.

Nous avons réalisé que nous pouvions utiliser des ordinateurs quantiques, qui peuvent contrôler avec précision l’état des objets quantiques, pour créer deux objets quantiques identiques et les emmêler. En mesurant les objets intriqués ensemble, nous pourrions déterminer leurs propriétés plus précisément que s’ils étaient mesurés individuellement.

Mesurer les deux objets quantiques identiques intriqués réduit le bruit dans la mesure, la rendant plus précise.

Un avenir moins bruyant

En théorie, il est également possible d’intriquer et de mesurer trois systèmes quantiques ou plus pour obtenir une précision encore meilleure. Cependant, nous n’avons pas encore été en mesure de faire ce travail expérimental.

Les résultats de la mesure de trois objets intriqués identiques étaient très bruyants. Cependant, à mesure que les ordinateurs quantiques s’améliorent et deviennent plus précis, il pourrait être possible de mesurer fidèlement trois copies d’un système quantique simultanément à l’avenir.

L’une des principales forces de ce travail est qu’une amélioration quantique peut encore être observée dans des scénarios très bruyants. Cela augure bien pour les futures applications pratiques, telles que les mesures biomédicales, qui se produiront inévitablement dans des environnements bruyants du monde réel.

Qu’en est-il du principe d’incertitude ?

Cette recherche a également des implications pour le principe d’incertitude susmentionné.

Une interprétation du principe d’incertitude est qu’il est impossible de mesurer les propriétés conjuguées des objets quantiques avec une précision illimitée. Mais une autre interprétation est que la mesure d’une propriété conjuguée d’un objet quantique doit nécessairement perturber la seconde propriété conjuguée d’une certaine quantité minimale.

Dans cette recherche, nous avons pu violer un principe d’incertitude basé sur la seconde interprétation. Cela suggère que, selon le cadre physique considéré, différents principes d’incertitude peuvent être nécessaires pour différents scénarios.

Une collaboration mondiale

Nous avons testé notre théorie sur un total de 19 ordinateurs quantiques différents, qui utilisaient trois technologies informatiques quantiques différentes : les supraconducteurs, les ions piégés et la photonique. Ces appareils sont situés à travers l’Europe et l’Amérique et sont accessibles via Internet, permettant aux chercheurs du monde entier de se connecter et de mener des recherches importantes.

Nous avons réalisé l’étude avec des collègues du Centre d’excellence ARC pour le calcul quantique et la technologie de la communication (CQC2T), en collaboration avec des chercheurs de l’Institut de recherche et d’ingénierie des matériaux d’A*STAR à Singapour, de l’Université de Jena, de l’Université de Innsbruck, Université Macquarie et Amazon Web Services.

Lorcan Conlon

Doctorant, Quantum Science & Technology, Australian National University