Theoretical physicists completely determine the statistics of quantum entanglement
Des physiciens théoriciens déterminent complètement les statistiques de l'intrication quantique
Par l'Institut de Physique Théorique de Saclay
Lorsque deux observateurs mesurent un état intriqué, les fréquences de leurs résultats observés témoignent de la force de la théorie quantique. Les valeurs extrêmes régissant ces statistiques ont désormais été identifiées avec succès. Crédit : Jean-Daniel Bancal
Pour la première fois, des physiciens théoriciens de l'Institut de Physique Théorique (IPhT) de Paris-Saclay ont déterminé complètement les statistiques pouvant être générées par un système utilisant l'intrication quantique. Cette réussite ouvre la voie à des procédures de test exhaustives pour les dispositifs quantiques.
L'étude est publiée dans la revue Nature Physics.
Après l'avènement des transistors, des lasers et des horloges atomiques, l'intrication d'objets quantiques – aussi variés que les photons, les électrons et les circuits supraconducteurs – est au cœur d'une deuxième révolution quantique, avec en ligne de mire la communication et l'informatique quantiques.
De quoi s'agit-il ? Deux objets préparés ensemble dans un état quantique – deux photons polarisés horizontalement ou verticalement, par exemple – conservent la mémoire de leur origine commune, même s'ils sont éloignés l'un de l'autre. Lorsque l'état quantique des deux objets intriqués est mesuré – leur polarisation, dans l'exemple proposé –, une corrélation nette est observée entre les résultats de mesure.
Mesure obéissant aux statistiques quantiques
De quoi dépend cette corrélation ? Premièrement, le degré d'intrication entre les deux objets peut varier selon la nature de la source des objets quantiques intriqués – dans l'exemple, les photons polarisés horizontalement peuvent être produits plus fréquemment que ceux polarisés verticalement. Ensuite, un choix de mesure doit être effectué – comme le choix de la direction de mesure de la polarisation – ce qui peut influencer le résultat.
Pour générer des corrélations quantiques significatives, il est essentiel que chaque objet puisse être mesuré à l'aide d'au moins deux mesures distinctes, chacune offrant au moins deux résultats potentiels.
Dans l'expérience la plus simple révélant l'étendue de l'intrication quantique, cinq paramètres peuvent ainsi influencer les statistiques de mesure : le degré d'intrication entre les objets et les deux directions dans lesquelles les deux appareils effectuent leurs mesures. Cependant, d'une manière générale, la physique quantique autorise des systèmes complexes dotés de nombreux degrés de liberté, ce qui conduit à une grande variété de corrélations.
Extraire la connaissance d'une boîte noire
Les corrélations quantiques présentent des caractéristiques remarquables, notamment leur capacité à passer le test de Bell. Dans ce cas, les résultats d'une expérience quantique sont « non locaux », car ils ne peuvent être expliqués par des modèles locaux à variables cachées, qui reflètent notre compréhension intuitive des corrélations. La démonstration expérimentale de cette propriété remarquable a été saluée par le prix Nobel de physique décerné en 2022 à Alain Aspect, John F. Clauser et Anton Zeilinger. Mais les corrélations quantiques ont plus d'un tour dans leur sac.
Il s'avère que les attributs physiques peuvent souvent être estimés directement à partir des statistiques obtenues lors de la mesure d'un état quantique intriqué. Par exemple, les corrélations observées peuvent certifier que les résultats de mesure observés sont aléatoires. Il est important de noter que cette conclusion est possible à partir des seuls résultats de mesure, sans aucune hypothèse sur le comportement des dispositifs quantiques utilisés, considérés comme des « boîtes noires ». En définitive, certaines statistiques quantiques ont la propriété d'identifier pleinement le modèle physique décrivant les objets intriqués.
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Dévoiler l'étendue des corrélations quantiques
Cette propriété étonnante, appelée « auto-test », joue un rôle crucial dans les protocoles d'information quantique indépendants des dispositifs. Comme ces protocoles ne reposent sur aucune hypothèse concernant le bon fonctionnement de la source et des appareils de mesure, ils offrent une fiabilité inégalée. À ce jour, plusieurs résultats d'auto-test ont été obtenus. Par exemple, on sait que tous les états des qubits peuvent être auto-testés, bien que tous les auto-tests possibles ne soient pas encore connus. En effet, seuls les auto-tests correspondant aux états d'intrication maximale de deux qubits ont été entièrement caractérisés.
Victor Barizien et Jean-Daniel Bancal, physiciens théoriciens de l'IPhT, ont démontré qu'il est également possible de décrire exactement et complètement les statistiques obtenues lors de la mesure d'objets partiellement intriqués.
« L'idée, séduisante mais difficile à expliquer, consistait à décrire les statistiques des états partiellement intriqués en utilisant ce que nous comprenons des états maximalement intriqués. Nous avons trouvé une transformation mathématique permettant une interprétation physique fructueuse », expliquent les chercheurs.
L'identification de toutes les corrélations permettant d'auto-tester les états à deux qubits partiellement intriqués a permis d'obtenir une description complète des statistiques quantiques.
Un champ d'application considérable, tant fondamental qu'appliqué
Une connaissance complète des statistiques quantiques réalisables en cas d'intrication a de vastes conséquences. D'une part, elle identifie les limites de la théorie quantique elle-même. Ce faisant, elle limite l'étendue des résultats expérimentaux que l'on peut espérer observer si la nature respecte les règles de la physique quantique. D'autre part, elle offre des procédures de test exceptionnellement efficaces, applicables à tous types d'objets et de mesures intriqués, et donc à de nombreux types de systèmes.
En particulier, la sécurité des dispositifs utilisant l'intrication quantique peut être renforcée par des tests basés sur les résultats d'observations effectuées à chaque instant, plutôt que sur les propriétés physiques des appareils, susceptibles d'évoluer au fil du temps. Plus généralement, la voie est ouverte à de nouveaux protocoles pour les tests, les communications, la cryptographie et le calcul quantiques.
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RESUME
Des physiciens théoriciens déterminent complètement les statistiques de l'intrication quantique
Pour la première fois, des physiciens théoriciens de l'Institut de physique théorique (IPhT) de Paris-Saclay ont déterminé complètement les statistiques pouvant être générées par un système utilisant l'intrication quantique. Cette avancée ouvre la voie à des procédures de test exhaustives pour les dispositifs quantiques.
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COMMENTAIRES
En tant qu outil physique ou mathématique réellement actif l' intrication quantique en reste encore à de belles promesses !! Voici quelques indications pour mes jeunes élèves :
1/Comment fonctionne l'énergie quantique ?
Au niveau quantique, les particules sont des ondes et leur forme n'est pas aléatoire. Elle est déterminée par le niveau d'énergie de la particule. Ce phénomène s'appelle la quantification. Ces paliers d'énergie trahissent la structure même des atomes et permettent leur modification.
2/Comment arrivert à mesurer l’intrication quantique ?
Une méthode pour quantifier consiste à utiliser une mesure d'intrication attribuant une valeur numérique à chaque état ou palier quantique . Cependant, il est souvent intéressant de se contenter d'une méthode plus grossière pour comparer les états quantiques. Cela donne lieu à différents schémas de classification.
3/Comment savons-nous que l’intrication quantique existe ?
Historiquement
l'expérience de Freedman-Clauser a été le premier test de l'inégalité CHSH. Elle a maintenant été testée expérimentalement des centaines de fois dans des laboratoires du monde entier,. Les travaux de Clauser lui ont valu le prix Wolf de physique 2010.20 S
4/Comment identifier l’intrication quantique ?
Révéler les caractéristiques remarquables de l'intrication quantique nécessite de considérer plusieurs expériences distinctes, telles que des mesures de spin selon différents axes, et de comparer les corrélations obtenues dans ces différentes configurations . Les systèmes quantiques peuvent s'intriquer par divers types d'interaction
5/L’intrication quantique est-elle confirmée ?
Trois décennies s'écoulèrent avant qu'un autre scientifique, John Stewart Bell, ne développe une méthode pour tester le phénomène, ce qui permit aux scientifiques ultérieurs de confirmer l'intrication quantique. Si la physique classique représente la vie telle que nous la connaissons, le monde quantique est comparable à un univers parallèle.
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More information: Victor Barizien et al, Quantum statistics in the minimal Bell scenario, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02782-3. On arXiv: arxiv.org/abs/2406.09350
Journal information: Nature Physics , arXiv
Provided by Institute of Theoretical Physics, Saclay
