Simulation quantique : la mesure de l’intrication est beaucoup plus facile

Simulation quantique : la mesure de l'intrication est beaucoup plus facile
Tomographie hamiltonienne d'intrication dans la simulation quantique

La nouvelle méthode reconstruit l’état quantique du simulateur quantique sur un ordinateur classique à partir de quelques mesures. Il permet également à l’utilisateur de comparer l’état quantique stocké sur un ordinateur classique avec l’état du laboratoire. Crédit : IQOQI Innsbruck/Harald Ritsch

Dans quelques années, une nouvelle génération de simulateurs quantiques pourrait fournir des informations qui ne seraient pas possibles en utilisant des simulations sur des supercalculateurs conventionnels. Les simulateurs quantiques sont capables de traiter une grande quantité d’informations car ils superposent mécaniquement un nombre extrêmement important d’états de bits. Pour cette raison, cependant, il s’avère également difficile de lire ces informations à partir du simulateur quantique. Afin de pouvoir reconstruire l’état quantique, un très grand nombre de mesures individuelles sont nécessaires. La méthode utilisée pour lire l’état quantique d’un simulateur quantique est appelée tomographie d’état quantique.

« Chaque mesure fournit une ‘image en coupe’ de l’état quantique. Vous assemblez ensuite ces images transversales pour former l’état quantique complet », explique le physicien théoricien Christian Kokail de l’équipe de Peter Zoller à l’Institut d’optique quantique et d’information quantique de l’Académie autrichienne des sciences et du Département de physique expérimentale de l’Université. d’Innsbruck. Le nombre de mesures nécessaires en laboratoire augmente très rapidement avec la taille du système. « Le nombre de mesures augmente de façon exponentielle avec le nombre de qubits », explique le physicien. Les chercheurs d’Innsbruck ont ​​maintenant réussi à développer une méthode beaucoup plus efficace pour les simulateurs quantiques.

Une méthode efficace qui fournit de nouvelles informations

Les connaissances de la théorie quantique des champs permettent à la tomographie d’état quantique d’être beaucoup plus efficace, c’est-à-dire d’être effectuée avec beaucoup moins de mesures. “Ce qui est fascinant, c’est qu’il n’était pas du tout clair dès le départ que les prédictions de la théorie quantique des champs pourraient être appliquées à nos expériences de simulation quantique”, explique le physicien théoricien Rick van Bijnen. « L’étude d’articles scientifiques plus anciens dans ce domaine nous a conduits sur cette voie. »

La théorie quantique des champs fournit le cadre de base de l’état quantique dans le simulateur quantique. Seules quelques mesures sont alors nécessaires pour insérer les détails dans ce cadre de base. Sur cette base, les chercheurs d’Innsbruck ont ​​développé un protocole de mesure grâce auquel la tomographie de l’état quantique devient possible avec un nombre de mesures considérablement réduit. Dans le même temps, la nouvelle méthode permet d’obtenir de nouvelles informations sur la structure de l’état quantique.

Les physiciens ont testé la nouvelle méthode avec les données expérimentales d’un simulateur quantique à piège à ions du groupe de recherche d’Innsbruck dirigé par Rainer Blatt et Christian Roos. « Au cours du processus, nous étions désormais en mesure de mesurer des propriétés de l’état quantique qui n’étaient auparavant pas observables avec cette qualité », raconte Kokail.

Vérification du résultat

Un protocole de vérification développé par le groupe avec Andreas Elben et Benoit Vermersch il y a deux ans peut être utilisé pour vérifier si la structure de l’état quantique correspond réellement aux attentes de la théorie quantique des champs. « Nous pouvons utiliser d’autres mesures aléatoires pour vérifier si le cadre de base de la tomographie que nous avons développé sur la base de la théorie correspond réellement ou est complètement faux », explique Christian Kokail.

Le protocole lève un drapeau rouge si le cadre ne convient pas. Bien sûr, ce serait également une découverte intéressante pour les physiciens, car cela fournirait peut-être des indices sur la relation pas encore entièrement comprise avec la théorie quantique des champs. En ce moment, les physiciens autour de Peter Zoller développent des protocoles quantiques dans lesquels le cadre de base de l’état quantique n’est pas stocké sur un ordinateur classique, mais est réalisé directement sur le simulateur quantique.

Référence : « Entanglement Hamiltonian tomography in quantum simulation » par Christian Kokail, Rick van Bijnen, Andreas Elben, Benoît Vermersch et Peter Zoller, 24 juin 2021, Physique de la nature.
DOI : 10.1038/s41567-021-01260-w

La recherche a été soutenue financièrement par le Fonds autrichien pour la science FWF et l’Union européenne, entre autres.

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