Un étudiant déchiffre le code quantique de grande dimension – révèle les structures cachées des états intriqués quantiques

Isaac Nape, doctorant de Wits, déchiffre le code quantique de grande dimension. Crédit : Université du Witwatersrand

Un nouvel outil rapide pour l’informatique quantique et la communication.

Isaac Nape, un talent sud-africain émergent dans l’étude de l’optique quantique, fait partie d’une équipe de physiciens de Wits qui a dirigé une étude internationale qui a révélé les structures cachées des états intriqués quantiques. L’étude a été publiée dans la revue scientifique renommée, Communication Nature.

Nape poursuit son doctorat à l’Université Wits et se concentre sur l’exploitation de modèles de lumière structurés pour le codage et le décodage d’informations de grande dimension à utiliser dans la communication quantique.

Plus tôt cette année, il a remporté deux prix à la conférence de l’Institut sud-africain de physique (SAIP) pour s’ajouter à sa collection croissante de distinctions dans le domaine de l’optique et de la photonique. Il a remporté le prix de la « Meilleure présentation orale de doctorat en physique appliquée » et a remporté conjointement le prix de la « Meilleure présentation orale de doctorat en photonique ».

En mai, il a également reçu la prestigieuse bourse d’études en optique et photonique 2021 de la SPIE, la société internationale d’optique et de photonique, pour ses contributions potentielles au domaine de l’optique, de la photonique ou dans un domaine connexe.

Informatique plus rapide et plus sécurisée

Maintenant, Nape et ses collègues de Wits, ainsi que des collaborateurs d’Écosse et de Taïwan offrent un nouvel outil rapide pour l’informatique quantique et communication. « Les états quantiques qui sont enchevêtrés dans de nombreuses dimensions sont la clé de nos technologies quantiques émergentes, où plus de dimensions signifient une bande passante quantique plus élevée (plus rapide) et une meilleure résilience au bruit (sécurité), cruciales pour une communication rapide et sécurisée et accélérer l’erreur. informatique quantique gratuite.

“Ce que nous avons fait ici, c’est inventer une nouvelle approche pour sonder ces états quantiques” de grande dimension “, en réduisant le temps de mesure de plusieurs décennies à quelques minutes”, explique Nape.

Nape a travaillé avec le professeur distingué Andrew Forbes, chercheur principal de cette étude et directeur du Laboratoire de lumière structurée à la School of Physics de Wits, ainsi qu’avec la boursière postdoctorale Dr Valeria Rodriguez-Fajardo, la chercheuse taïwanaise en visite Dr Hasiao-Chih Huang, et le Dr Jonathan Leach et le Dr Feng Zhu de l’Université Heriot-Watt en Écosse.

Êtes-vous quantique ou non ?

Dans leur article intitulé : Mesure de la dimensionnalité et de la pureté des états intriqués de grande dimension, l’équipe a décrit une nouvelle approche de la mesure quantique, la testant sur un état intriqué quantique à 100 dimensions.

Avec les approches traditionnelles, le temps de mesure augmente défavorablement avec la dimension, de sorte que pour démêler un état à 100 dimensions par une « tomographie d’état quantique » complète, il faudrait des décennies. Au lieu de cela, l’équipe a montré que les informations saillantes du système quantique – combien de dimensions sont enchevêtrées et à quel niveau de pureté ? – pourrait être déduit en quelques minutes. La nouvelle approche ne nécessite que de simples « projections » qui pourraient facilement être réalisées dans la plupart des laboratoires avec des outils conventionnels. En utilisant la lumière comme exemple, l’équipe a utilisé une approche entièrement numérique pour effectuer les mesures.

Le problème, explique Nape, est que si les états de grande dimension sont faciles à créer, en particulier avec des particules de lumière enchevêtrées (photons), ils ne sont pas faciles à mesurer – notre boîte à outils pour les mesurer et les contrôler est presque vide.

Vous pouvez penser à un état quantique de grande dimension comme les faces d’un dé. Un dé conventionnel a 6 faces, numérotées de 1 à 6, pour un alphabet à six dimensions qui peut être utilisé pour le calcul ou pour le transfert d’informations dans la communication. Faire un « dé de grande dimension » signifie un dé avec beaucoup plus de faces : 100 dimensions égalent 100 faces – un polygone assez compliqué.

« Dans notre monde de tous les jours, il serait facile de compter les visages pour savoir de quel type de ressource nous disposions, mais ce n’est pas le cas dans le monde quantique. Dans le monde quantique, vous ne pouvez jamais voir tous les dés, il est donc très difficile de compter les faces. La façon dont nous contournons cela est de faire une tomographie, comme ils le font dans le monde médical, en construisant une image à partir de nombreuses tranches de l’objet », explique Nape.

Mais les informations contenues dans les objets quantiques peuvent être énormes, le temps nécessaire à ce processus est donc prohibitif. Une approche plus rapide est une « mesure en cloche », un test célèbre pour savoir si ce que vous avez devant vous est enchevêtré, comme lui demander « êtes-vous quantique ou non ? » Mais si cela confirme les corrélations quantiques des dés, cela ne dit pas grand-chose sur le nombre de faces qu’il a.

Découverte fortuite

“Notre travail a contourné le problème par une découverte fortuite, qu’il existe un ensemble de mesures qui n’est pas une tomographie ni une mesure de Bell, mais qui contient des informations importantes sur les deux”, explique Nape. « Dans le jargon technique, nous avons mélangé ces deux approches de mesure pour faire plusieurs projections qui ressemblent à une tomographie mais mesurant les visibilités du résultat, comme s’il s’agissait de mesures de Bell. Cela a révélé les informations cachées qui pouvaient être extraites de la force des corrélations quantiques dans de nombreuses dimensions. »

Premier et rapide

La combinaison de la vitesse de l’approche de type Bell et des informations de l’approche de type tomographie signifiait que les paramètres quantiques clés tels que la dimensionnalité et la pureté de l’état quantique pouvaient être déterminés rapidement et quantitativement, la première approche à le faire.

“Nous ne suggérons pas que notre approche remplace d’autres techniques”, déclare Forbes. « Au contraire, nous le voyons comme une sonde rapide pour révéler ce à quoi vous avez affaire, puis utiliser ces informations pour prendre une décision éclairée sur la marche à suivre. Une affaire de chevaux-pour-cours.

Par exemple, l’équipe considère que son approche change la donne dans les liens de communication quantique du monde réel, où une mesure rapide du niveau de bruit que cet état quantique est devenu et de ce que cela a fait aux dimensions utiles est cruciale.

Référence : « Mesurer la dimensionnalité et la pureté des états enchevêtrés de grande dimension » par Isaac Nape, Valeria Rodríguez-Fajardo, Feng Zhu, Hsiao-Chih Huang, Jonathan Leach et Andrew Forbes, 27 août 2021, Communication Nature.
DOI : 10.1038/s41467-021-25447-0