La recherche ouvre la voie au contrôle de l’intrication dans les matériaux quantiques

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Caractériser et contrôler l’intrication dans les matériaux quantiques est crucial pour le développement de technologies quantiques de nouvelle génération.

Bien que l'intrication puisse être mesurée en optique quantique, définir un facteur de mérite quantifiable pour l'intrication dans des solides macroscopiques est un défi théorique et expérimental.

Grâce à des recherches financées par le Early Career Award du Département américain de l'Énergie, les scientifiques de l'Université de Clemson et leurs collaborateurs ont trouvé une nouvelle approche pour détecter l'intrication quantique dans des matériaux quantiques hors d'équilibre et l'intrication induite artificiellement par une impulsion laser intense.

Cette découverte pourrait permettre aux chercheurs de contrôler des dispositifs quantiques à des échelles de temps ultrarapides, ouvrant ainsi la voie à la conception d’un état de la matière basé sur les matériaux pour des applications quantiques.

La recherche a été récemment publiée dans la prestigieuse revue Nature Communications et a attiré l’attention de chercheurs impliqués dans deux domaines d’intérêt : la communauté du contrôle quantique et les rayons X. L’article est intitulé « Être témoin d’un enchevêtrement induit par la lumière à l’aide de la diffusion inélastique résonante des rayons X résolue dans le temps ».

L'intrication est le phénomène qu'Albert Einstein a décrit comme « une action effrayante à distance » qui explique comment deux particules subatomiques peuvent être intimement liées l'une à l'autre même si elles sont séparées par de grandes distances. Malgré leur séparation, un changement induit dans une particule subatomique affectera l’autre.

"L'intrication est la propriété intrinsèque d'un système quantique et le fondement de toute application quantique", a déclaré Jordyn Hales, étudiant de deuxième année au département de physique et d'astronomie de Clemson et premier auteur de l'article. "Pour que cela soit utile, nous devons être capables de le détecter et de le contrôler."

Au cours des dernières années, les scientifiques ont déterminé une quantité – appelée information quantique de Fisher, ou QFI – pour mesurer l'intrication dans les matériaux par diffusion de neutrons. Cependant, la méthode est limitée aux conditions d’équilibre, limitant son application à un dispositif quantique contrôlable fonctionnant à des échelles de temps ultrarapides.

Dans cette nouvelle recherche, les scientifiques, dirigés par Yao Wang, professeur adjoint de physique à Clemson, ont découvert une approche permettant de déchiffrer le QFI de tout état ultrarapide grâce à une technique récemment développée de diffusion inélastique résonante des rayons X résolue dans le temps. Bien qu’une conversion directe soit impossible car tous les spectres ultrarapides ont une résolution temporelle limitée, les chercheurs ont conçu un algorithme itératif pour surmonter ce problème. Cette approche donne la limite inférieure de l’intrication quantique dans tout matériau quantique hors équilibre.

« Nous voulons non seulement pouvoir détecter l’enchevêtrement, mais aussi pouvoir le contrôler et le suivre pendant que nous le contrôlons. Un moyen efficace de le contrôler consiste à utiliser un laser intense, qui déséquilibre le système », a déclaré Hales. « Un matériau contrôlé par laser signifie que vous pouvez synthétiser un matériau et faire briller le laser. Le laser a différentes puissances, fréquences, durées et polarisations, vous pouvez donc le contrôler de différentes manières. Cela signifie que pour un seul matériau, vous avez accès à de nombreux états différents dans un vaste espace de paramètres.

Wang a déclaré qu'étant capables de caractériser l'intrication, les chercheurs peuvent concevoir des contrôles laser volontairement au lieu de contrôler le laser de manière aléatoire sans trop de prédictions à ce sujet.

«C'est pourquoi nous avons étendu cette méthode de détection de l'intrication en dehors de l'équilibre en utilisant la diffusion inélastique résonante des rayons X résolue dans le temps. Nous pouvons désormais voir, en temps réel, si et comment l’intrication est induite par une impulsion laser », a déclaré Wang.

Hales a déclaré que la prochaine étape consiste à travailler avec des collaborateurs expérimentaux pour vérifier les résultats.

"Nous avons effectué de nombreuses simulations sur un superordinateur et identifié un système matériel dans lequel le laser peut effectivement induire un intrication transitoire", a déclaré Hales. "Nous attendons que des collaborateurs expérimentaux prennent des mesures physiques et extraient l'intrication à l'aide de notre méthode." L'ancien chercheur postdoctoral de Clemson, Utkarsh Bajpai, co-premier auteur de l'article, a contribué de manière significative à l'élaboration de la méthode. Des chercheurs de l'Université Harvard et du Massachusetts