Des physiciens de l’Université d’Oxford ont conçu une nouvelle classe d’« états félins » – des superpositions quantiques construites non pas à partir de paquets d’ondes ordinaires, mais à partir de composants profondément exotiques et non classiques – ouvrant des voies inattendues vers des ordinateurs quantiques plus résilients.
« Contrairement à la physique classique, la mécanique quantique permet aux objets d’exister dans plusieurs états en même temps », ont déclaré le Dr Sebastian Saner de l’Université d’Oxford et ses collègues.
« Cette idée est souvent illustrée par le chat de Schrödinger, imaginé à la fois vivant et mort jusqu’à ce qu’il soit observé. »
« Dans un laboratoire, les physiciens peuvent créer des versions moins dramatiques mais très réelles de cet effet en plaçant simultanément les atomes, la lumière ou le mouvement dans deux états quantiques distincts. »
« La création et le contrôle de ces superpositions sont essentiels pour des applications allant de l’informatique quantique à la chronométrage de précision. »
« Un exemple simple est un bit quantique, ou qubit, dans une superposition de 0 et de 1. Mais les systèmes quantiques ne se limitent pas à deux états. »
« Dans un oscillateur harmonique quantique, qui peut occuper de nombreux niveaux d’énergie différents, il existe un ensemble de possibilités beaucoup plus riche. »
« Les oscillateurs harmoniques quantiques décrivent de nombreux systèmes physiques, notamment la lumière, les vibrations et le mouvement des particules piégées, et ont été utilisés pour créer une grande variété de superpositions quantiques. »
« Un exemple bien connu est l’état chat, dans lequel un oscillateur est placé dans une superposition de deux paquets d’ondes déplacés dans des directions opposées. »
« Ces paquets d’ondes, appelés états cohérents, ressemblent autant au mouvement classique que le permet la mécanique quantique. »
Dans leur nouvelle recherche, le Dr Saner et ses co-auteurs ont démontré une nouvelle famille de superpositions quantiques.
Au lieu de construire des états félins à partir de paquets d’ondes à états cohérents, ils ont développé une méthode permettant de créer des superpositions à partir d’un large éventail de composants eux-mêmes très non classiques.
Dans des exemples tels que les superpositions d’états comprimés, l’incertitude quantique est redistribuée différemment dans chaque partie de l’état.
« L’expérience a utilisé le mouvement d’un seul ion piégé », ont expliqué les physiciens.
« Un ion piégé combine deux types différents de système quantique : son état interne agit comme un qubit, tandis que son mouvement se comporte comme un oscillateur harmonique quantique capable d’occuper de nombreux états de mouvement différents. »
« Cela en fait une plate-forme puissante pour l’ingénierie d’états quantiques qui vont au-delà des qubits ordinaires. »
Pour créer ces états, les chercheurs ont d’abord utilisé des interactions techniques pour mêler l’état interne de l’ion à différents états de mouvement possibles.
Une mesure quantique à mi-circuit de l’état interne a ensuite projeté le mouvement de l’ion dans la superposition choisie de composants non classiques.
« Cette approche nous a donné un outil pour sculpter la superposition quantique sous presque n’importe quelle forme », a déclaré le Dr Saner.
La méthode a donné aux chercheurs un contrôle programmable sur les états qu’ils produisaient.
En modifiant les paramètres expérimentaux, ils pourraient ajuster la taille relative, la rotation et la séparation des composants, permettant ainsi de générer un large éventail de superpositions de mouvements exotiques au sein du même système d’ions piégés.
Les scientifiques ont également reconstruit directement les états quantiques qu’ils ont créés.
Les reconstructions ont révélé des modèles d’interférence et des régions de négativité de Wigner – des signatures selon lesquelles les états ne pouvaient pas être décrits comme des mélanges classiques ordinaires.
Ces caractéristiques ont confirmé que l’expérience avait produit de véritables superpositions quantiques d’états de mouvement véritablement non classiques.
Les auteurs collaborent désormais avec des théoriciens pour déterminer plus précisément à quel point ces états sont « quantiques ».
« Nous avons été vraiment encouragés par la réaction de nos collègues lorsque nous leur avons montré ce que nous avions réalisé », a déclaré le Dr Raghavendra Srinivas, également de l’Université d’Oxford.
« Nous pensons que nous ne faisons qu’effleurer la surface de ce qui est possible, à la fois pour les applications pratiques et pour la compréhension de ces états à un niveau plus fondamental. »
