Visualiser la danse mystérieuse : intrication quantique de photons capturés en réalité

21 août 2023

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par l'Université d'Ottawa

Des chercheurs de l'Université d'Ottawa, en collaboration avec Danilo Zia et Fabio Sciarrino de l'Université Sapienza de Rome, ont récemment démontré une nouvelle technique qui permet de visualiser la fonction d'onde de deux photons intriqués, les particules élémentaires qui constituent la lumière, en réalité. temps.

En utilisant l’analogie avec une paire de chaussures, le concept d’enchevêtrement peut être assimilé à la sélection d’une chaussure au hasard. Dès que vous identifiez une chaussure, la nature de l’autre (qu’il s’agisse de la chaussure gauche ou droite) est instantanément discernée, quel que soit son emplacement dans l’univers. Cependant, le facteur intrigant est l’incertitude inhérente associée au processus d’identification jusqu’au moment exact de l’observation.

La fonction d'onde, principe central de la mécanique quantique, permet une compréhension globale de l'état quantique d'une particule. Par exemple, dans l'exemple de la chaussure, la « fonction d'onde » de la chaussure pourrait transporter des informations telles que la gauche ou la droite, la taille, la couleur, etc.

Plus précisément, la fonction d'onde permet aux scientifiques quantiques de prédire les résultats probables de diverses mesures sur une entité quantique, par exemple la position, la vitesse, etc.

Cette capacité prédictive est inestimable, en particulier dans le domaine en évolution rapide de la technologie quantique, où la connaissance d’un état quantique généré ou entré dans un ordinateur quantique permettra de tester l’ordinateur lui-même. De plus, les états quantiques utilisés en informatique quantique sont extrêmement complexes, impliquant de nombreuses entités pouvant présenter de fortes corrélations non locales (intrication).

Connaître la fonction d'onde d'un tel système quantique est une tâche difficile. C'est ce qu'on appelle également tomographie d'état quantique ou tomographie quantique en abrégé. Avec les approches standards (basées sur les opérations dites projectives), une tomographie complète nécessite un grand nombre de mesures qui augmente rapidement avec la complexité du système (dimensionnalité).

Des expériences antérieures menées avec cette approche par le groupe de recherche ont montré que caractériser ou mesurer l'état quantique de haute dimension de deux photons intriqués peut prendre des heures, voire des jours. De plus, la qualité du résultat est très sensible au bruit et dépend de la complexité du dispositif expérimental.

L’approche de mesure projective de la tomographie quantique peut être considérée comme l’observation des ombres d’un objet de grande dimension projetées sur différents murs depuis des directions indépendantes. Tout ce qu’un chercheur peut voir, ce sont les ombres, et à partir d’elles, il peut déduire la forme (l’état) de l’objet complet. Par exemple, en CT scan (tomodensitométrie), les informations d'un objet 3D peuvent ainsi être reconstruites à partir d'un ensemble d'images 2D.

En optique classique, il existe cependant une autre manière de reconstruire un objet 3D. C'est ce qu'on appelle l'holographie numérique et repose sur l'enregistrement d'une image unique, appelée interférogramme, obtenue en interférant la lumière diffusée par l'objet avec une lumière de référence.

L’équipe, dirigée par Ebrahim Karimi, titulaire de la Chaire de recherche du Canada sur les ondes quantiques structurées, codirecteur de l’institut de recherche Nexus for Quantum Technologies (NexQT) de l’Université d’Ottawa et professeur agrégé à la Faculté des sciences, a étendu ce concept au cas de deux photons.

Reconstruire un état biphotonique nécessite de le superposer à un état quantique vraisemblablement bien connu, puis d'analyser la distribution spatiale des positions où deux photons arrivent simultanément. L'imagerie de l'arrivée simultanée de deux photons est connue sous le nom d'image de coïncidence. Ces photons peuvent provenir de la source de référence ou de la source inconnue. La mécanique quantique stipule que la source des photons ne peut être identifiée.