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Accueil > Recherche > Équipe Physique théorique & Astrophysique > Systèmes quantiques ouverts > Intrication et protocoles d’information quantique

Dynamique de l’intrication quantique

L’intrication quantique est le processus selon lequel les états quantiques de deux systèmes (spins, atomes) sont corrélés à longue distance, empêchant d’attribuer de manière univoque un état précis à un élément du système. Ce phénomène est utilisé dans de nombreux protocoles d’information quantique.

Quantificateurs de corrélations quantiques

Le quantum discord est une mesure des corrélations non classiques présentes dans un système quantique et inclut des corrélations, qui n’impliquent pas nécessairement l’intrication quantique mais qui sont encore utilisables par le calcul quantique. Dans ce contexte, un quantificateur d’un certain type de corrélations est construit comme la distance entre l’état en examen et l’état qui lui est plus proche entre tous ceux privés du type de corrélations qu’on veut quantifier. En particulier, en utilisant l’entropie relative comme une mesure de distance, les corrélations totales peuvent être séparées en une partie classique et quantique grâce à une relation d’additivité qui implique seulement des distances entre états.

Nous avons étudié une vue unifiée de corrélations utilisant comme mesure de distance la trace de la norme carrée. Nous avons ainsi considéré des quantificateurs pour les corrélations totales et classiques en trouvant – pour une classe générale d’états bipartites – leurs expressions explicites. Nous avons analysé la relation entre les corrélations géométriques totales, quantiques et classiques et nous avons trouvé qu’elles ne satisfont plus une relation d’additivité fermée.

La caractérisation des corrélations quantiques dans des systèmes à plusieurs corps est peu comprise et il y a de nombreuses issues ouvertes. Nous avons abordé ce problème en le centrant sur l’introduction d’une mesure de corrélations à trois corps totales, classiques et quantiques, basée sur l’usage de l’entropie relative pour quantifier la distance entre états. Ces corrélations à trois corps sont définies par la quantité de corrélations qui ne peuvent pas être comptées en considérant n’importe quel sous-système possible. Nous avons montré dans le cas d’états purs de trois qubits, que les corrélations classiques et quantiques de toutes les possibles bipartitions obéissent à une loi hiérarchisant fixée par les entropies à un seul qubit.

Effets de mémoire sur la dynamique de l’intrication quantique

L’interaction entre un système quantique et son environnement cause généralement la perte de ses propriétés quantiques à cause du processus de décohérence. Dans ce contexte, le domaine de l’information quantique nécessite des moyens pour contrôler et réduire la décohérence. L’étude de systèmes non-markoviens présente beaucoup plus de difficultés que le cas markovien en raison de la présence d’effets de mémoire dans la dynamique qui ne sont plus négligeables.

Dans le cas de couples d’atomes non interagissant préparés en états intriqués et sujets à des bruits locaux non-markoviens, nous avons mis à jour la possibilité que l’intrication quantique entre les atomes réapparaisse suite à sa disparition, grâce aux effets de mémoire caractérisant la dynamique des atomes. Cela indique que les environnements non-markoviens peuvent jouer un rôle important dans des applications pratiques, offrant la possibilité d’étendre le temps effectif d’utilité de l’intrication quantique dans l’information et le calcul quantique. Du côté expérimental, ces réapparitions de l’intrication ont été observées en 2010 avec un setup optique.

Dans le but de profiter au maximum des effets non-markoviens pour protéger l’intrication quantique du bruit ambiant, nous avons aussi étudié le cas où deux qubits sont placés dans des cristaux photoniques. Nous avons mis en évidence la possibilité de préserver l’intrication pour de longues périodes. Ce phénomène est lié au fait que dans ces matériaux, l’émission spontanée peut être inhibée et le phénomène de population trapping peut survenir.

Les réapparitions non-markoviennes de corrélations sont souvent interprétées en termes d’échange en avant et en arrière de corrélations entre le système et l’environnement. Une telle interprétation n’est pas utilisable dans le cas d’environnements qui ne portent pas sur des phénomènes de rétroaction sur les systèmes. On a montré que le mécanisme à l’origine de ces revivals de corrélations est lié aux effets de mémoire dans la dynamique du système d’intérêts. Dans le cas d’environnements avec des dynamiques assignées et non influencées par l’environnement lui-même, il a à la base un mécanisme subtil qu’un environnement classique est capable d’effectuer même s’il ne peut pas emmagasiner des corrélations quantiques.

Effets de l’intrication sur le contrôle quantique

Le contrôle quantique par champs laser consiste à envoyer sur un spin, un atome ou une molécule un "signal" supporté par des modulations des paramètres du champ (fréquence, amplitude, etc). Ce signal est choisi pour que la réponse du système quantique à celui-ci corresponde à une évolution vers un état cible prédéterminé. Mais dans la pratique, un système quantique n’est jamais vraiment isolé de son environnement. L’état quantique du système se trouve alors intriqué avec l’état de l’environnement et cette intrication peut ruiner le résultat du contrôle. Nos travaux s’intéresse à la possibilité de modéliser géométriquement le façon dont l’intrication gêne le contrôle quantique.

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Contrôle par deux champs laser d’un atome à 3 niveaux intriqué avec un autre atome. Les cartes représentent l’intensité de la réponse de l’atome en fonction des paramètres de contrôle (les deux intensités des champs laser) pour ses 9 états intriqués. Les régions actives de forme elliptique (singularités) provoquent un changement d’état du système alors que les régions actives de forme allongée (cordes entropiques) provoquent une perte de cohérence du contrôle.

Intrication de systèmes de spins, chaos et trous noirs

Nous étudions également par des simulations numériques la dynamique de l’intrication dans des chaînes de spins induite par un comportement chaotique spontané de la chaîne (de fait d’impuretés) ou du fait de frappes magnétiques chaotiques sur celle-ci. Par ailleurs nous nous intéressons au comportement de l’intrication entre deux qubits transporté autour d’un trou noir en fonction du référentiel de l’observateur. Le but est d’étudier à travers le phénomène du chute de cette intrication au voisinage de l’horizon des événements, les effets de la gravitation sur l’information quantique.


Contacts : Bruno Bellomo ; David Viennot