Direction quantique pour des mesures plus précises

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Les corrélations Einstein-Podolski-Rosen peuvent être utilisées pour des mesures de précision. (Image: Jurik Peter, Shutterstock)

Résumé:
Les systèmes quantiques constitués de plusieurs particules peuvent être utilisés pour mesurer plus précisément les champs magnétiques ou électriques. Un jeune physicien de l'Université de Bâle a maintenant proposé un nouveau schéma pour de telles mesures qui utilise un type particulier de corrélation entre les particules quantiques.

Pilotage quantique pour des mesures plus précises

Bâle, Suisse | Publié le 23 avril 2021

Dans les informations quantiques, les agents fictifs Alice et Bob sont souvent utilisés pour illustrer des tâches de communication complexes. Dans un de ces processus, Alice peut utiliser des particules quantiques intriquées telles que des photons pour transmettre ou «téléporter» un état quantique - inconnu même d'elle-même - à Bob, ce qui n'est pas faisable avec les communications traditionnelles.

Cependant, il n'est pas clair si l'équipe Alice-Bob peut utiliser des états quantiques similaires pour d'autres choses que la communication. Un jeune physicien de l'Université de Bâle a maintenant montré comment des types particuliers d'états quantiques peuvent être utilisés pour effectuer des mesures avec une précision plus élevée que la physique quantique ne le permettrait habituellement. Les résultats ont été publiés dans la revue scientifique Nature Communications.

Pilotage quantique à distance

En collaboration avec des chercheurs britanniques et français, le Dr Matteo Fadel, qui travaille au département de physique de l'Université de Bâle, a réfléchi à la manière dont les tâches de mesure de haute précision peuvent être abordées à l'aide de ce que l'on appelle le pilotage quantique.

Le pilotage quantique décrit le fait que dans certains états quantiques de systèmes constitués de deux particules, une mesure sur la première particule permet de faire des prédictions plus précises sur d'éventuels résultats de mesure sur la seconde particule que la mécanique quantique ne le permettrait si seulement la mesure sur la seconde la particule avait été faite. Tout se passe comme si la mesure sur la première particule avait «orienté» l'état de la seconde.

Ce phénomène est également connu sous le nom de paradoxe EPR, du nom d'Albert Einstein, Boris Podolsky et Nathan Rosen, qui l'ont décrit pour la première fois en 1935. Ce qui est remarquable à ce sujet, c'est qu'il fonctionne même si les particules sont très éloignées car elles sont mécaniquement quantiques. ? empêtré? et peuvent se sentir à distance. C'est aussi ce qui permet à Alice de transmettre son état quantique à Bob en téléportation quantique.

«Pour la direction quantique, les particules doivent être enchevêtrées les unes avec les autres d'une manière très particulière», explique Fadel. «Nous voulions savoir si cela pouvait être utilisé pour faire de meilleures mesures.» La procédure de mesure qu'il propose consiste en ce qu'Alice effectue une mesure sur sa particule et transmet le résultat à Bob.

Grâce à la direction quantique, Bob peut alors ajuster son appareil de mesure de telle sorte que l'erreur de mesure sur sa particule soit plus petite qu'elle ne l'aurait été sans les informations d'Alice. De cette manière, Bob peut mesurer, par exemple, des champs magnétiques ou électriques agissant sur ses particules avec une grande précision.

Etude systématique des mesures de pilotage assisté

L'étude de Fadel et de ses collègues permet désormais d'étudier et de démontrer systématiquement l'utilité du pilotage quantique pour les applications métrologiques. «L'idée est née d'une expérience que nous avons déjà menée en 2018 dans le laboratoire du professeur Philipp Treutlein de l'Université de Bâle», explique Fadel.

«Dans cette expérience, nous avons pu mesurer la direction quantique pour la première fois entre deux nuages contenant chacun des centaines d'atomes froids. Après cela, nous nous sommes demandé s'il était possible de faire quelque chose d'utile avec ça. Dans son travail, Fadel a maintenant créé une base mathématique solide pour réaliser des applications de mesure réelles qui utilisent le pilotage quantique comme ressource.

«Dans quelques cas simples, nous savions déjà qu'il y avait un lien entre le paradoxe EPR et les mesures de précision», explique Treutlein. «Mais maintenant, nous avons un cadre théorique général sur la base duquel nous pouvons également développer de nouvelles stratégies pour la métrologie quantique.» Les chercheurs travaillent déjà à la démonstration expérimentale des idées de Fadel. À l'avenir, cela pourrait déboucher sur de nouveaux appareils de mesure quantiques améliorés.

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