Les chercheurs ont utilisé une technologie de caméra avancée pour visualiser les fonctions d’onde de deux photons intriqués en temps réel, mettant ainsi au point une technique permettant de reconstruire rapidement et efficacement l’état quantique complet des particules intriquées. Cette approche innovante est plusieurs fois plus rapide que les méthodes précédentes, prenant quelques minutes ou secondes au lieu de plusieurs jours, et devrait faire progresser le développement des technologies quantiques en améliorant la caractérisation de l'état quantique, les communications quantiques et les techniques d'imagerie quantique.
Une nouvelle technique basée sur la photographie avancée démontre un moyen de reconstruire rapidement et efficacement l’état quantique complet des particules intriquées.
Des chercheurs de l'Université d'Ottawa, en collaboration avec Danilo Zia et Fabio Sciarrino de l'Université Sapienza de Rome, ont récemment démontré une nouvelle technique qui permet de visualiser en temps réel les fonctions d'onde de deux photons intriqués, les particules fondamentales qui composent la lumière.
En utilisant l’analogie avec une paire de chaussures, le concept d’enchevêtrement peut être assimilé au choix d’une chaussure au hasard. Dès que vous identifiez une chaussure, la nature de l’autre chaussure (s’agit-il d’une chaussure gauche ou d’une chaussure droite) est instantanément perceptible, quel que soit son emplacement dans l’univers. Ce qui est fascinant, cependant, c’est l’incertitude inhérente associée au processus d’identification jusqu’au moment exact de l’observation.
La fonction d’onde est un principe fondamental de la mécanique quantique, qui permet une compréhension globale de l’état quantique des particules. Par exemple, dans le cas des chaussures, la « fonction d'onde » des chaussures peut transporter des informations telles que la gauche et la droite, la taille, la couleur, etc. Plus précisément, la fonction d'onde permet aux scientifiques quantiques de prédire les résultats possibles de diverses mesures d'entités quantiques, telles que la position, la vitesse, etc.
Photo (de gauche à droite) : Dr Alessio D'Errico, Dr Ebrahim Karimi et Nazanin Dehghan. Source de l'image : Université d'Ottawa
Cette capacité prédictive est extrêmement précieuse, en particulier dans le domaine en rapide évolution de la technologie quantique, où la compréhension des états quantiques produits ou entrés par un ordinateur quantique nous permettra de tester l’ordinateur lui-même. De plus, les états quantiques utilisés en informatique quantique sont extrêmement complexes et impliquent de nombreuses entités pouvant présenter de fortes corrélations non locales (intrication).
Comprendre la fonction d'onde d'un tel système quantique est une tâche extrêmement difficile - c'est également connu sous le nom de tomographie d'état quantique ou tomographie quantique. La tomographie complète utilisant des méthodes standards (basées sur des opérations dites de projection) nécessite un grand nombre de mesures, et le nombre de mesures augmente rapidement avec la complexité (dimension) du système.
Des expériences antérieures menées par l'équipe de recherche utilisant cette méthode ont montré que la caractérisation ou la mesure de l'état quantique de haute dimension de deux photons intriqués peut prendre des heures, voire des jours. De plus, la qualité des résultats est très sensible au bruit et dépend de la complexité du dispositif expérimental.
La méthode de mesure par projection de la tomographie quantique peut être comprise comme l'observation des ombres d'objets de grande dimension projetés depuis des directions indépendantes sur différents murs. Tout ce que les chercheurs peuvent voir, ce sont ces ombres, et à partir d’elles, ils peuvent déduire la forme (l’état) de l’objet entier. Par exemple, lors d'un scanner (tomodensitométrie), les informations sur un objet tridimensionnel peuvent être reconstruites à partir d'un ensemble d'images bidimensionnelles.
Cependant, en optique classique, il existe une autre manière de reconstruire des objets tridimensionnels. Cette méthode, connue sous le nom d'holographie numérique, est basée sur une image unique, appelée motif d'interférence, obtenue en interférant la lumière diffusée par un objet avec une lumière de référence.
Une équipe de recherche dirigée par Ebrahim Karimi, titulaire de la Chaire de recherche du Canada sur les ondes quantiques structurales, codirecteur de l'Institut mixte des technologies quantiques (NexQT) à Ottawa et professeur agrégé à la Faculté des sciences, a étendu ce concept au cas des deux photons. Reconstruire l’état à deux photons nécessite de le superposer à un état quantique putatif bien connu, puis d’analyser la distribution spatiale des emplacements où les deux photons arrivent simultanément. L’imagerie de deux photons arrivant en même temps est appelée imagerie de coïncidence. Ces photons peuvent provenir d'une source de référence ou d'une source inconnue. La mécanique quantique affirme que la source d’un photon ne peut être déterminée. Cela crée un motif d'interférence qui peut être utilisé pour reconstruire la fonction d'onde inconnue. Cette expérience a été rendue possible grâce à des caméras avancées qui enregistrent les événements à chaque pixel avec une résolution nanoseconde (1 000 000 000 de secondes).
Le Dr Alessio D'Errico, co-auteur de l'article et postdoctorant à l'Université d'Ottawa, souligne les énormes avantages de cette approche innovante : « Cette méthode est plusieurs fois plus rapide que les techniques précédentes, ne prenant que quelques minutes ou secondes au lieu de plusieurs jours.
L’impact de cette recherche s’étend au-delà du monde universitaire. Il a le potentiel d’accélérer les progrès des technologies quantiques, comme l’amélioration de la caractérisation de l’état quantique, les communications quantiques et le développement de nouvelles techniques d’imagerie quantique.