Un nouveau protocole contrecarre la limitation de la décohérence

Les chercheurs ont démontré une nouvelle technique de détection quantique qui dépasse largement les méthodes conventionnelles, accélérant potentiellement les progrès dans des domaines allant de l’imagerie médicale à la recherche en physique fondamentale, comme le montre une étude publiée dans Communications de la nature.

Pendant des décennies, les performances des capteurs quantiques ont été limitées par la décohérence, qui est un comportement imprévisible causé par le bruit environnemental.

“La décohérence fait grimper de l’état d’un système quantique, effaçant tout signal de détection quantique”, a déclaré Eli Levenson-Falk, auteur principal de l’étude, professeur agrégé de physique et d’astronomie à l’USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences et professeur agrégé d’ingénierie électrique et informatique de l’École d’ingénierie USC Viterbi.

La détection quantique est l’utilisation de systèmes quantiques (tels que les atomes, les particules légères ou les qubits) comme capteurs pour mesurer les quantités physiques (telles que l’activité cérébrale, les horloges ultra-précises ou les anomalies de gravité) avec une précision extrême, dépassant souvent les limites des capteurs classiques. Les dispositifs de détection utilisent des propriétés quantiques (comme la superposition, l’enchevêtrement et la cohérence) pour détecter de minuscules signaux qui seraient autrement noyés par le bruit.

“Considérez-le comme essayant d’entendre un faible murmure dans un espace bruyant”, a déclaré Malida Hecht, doctorante en physique à l’USC Dornsife et auteur principal de l’étude. “Les dispositifs de détection quantique détectent des choses trop petites ou faibles pour que les outils de mesure normaux le remarquent.”

Contrecarrant la décohérence avec un nouveau protocole stabilisé de cohérence

Dans la nouvelle étude, l’équipe de recherche a temporairement contrecarré le problème de la décohérence de longue date en utilisant un nouveau protocole stabilisé de cohérence prédéterminé sur le qubit de leur expérience, stabilisant une propriété clé de l’état quantique.

Le protocole de l’étude était basé sur la théorie dérivée par les co-auteurs Daniel Lidar (professeur de viterbi d’ingénierie et professeur de chimie et de physique et d’astronomie à l’USC) et Kumar Saurav (doctorant en génie électrique à l’USC VITERBI).

Cette expérience a considérablement amélioré la mesure des petits changements de fréquence dans les systèmes quantiques. Levenson-Falk a déclaré que le protocole de détection stabilisé de la cohérence de l’étude permet au signal de détection, qui prend la forme d’un changement à l’état quantique, de croître plus grand qu’il ne le ferait avec la mesure de détection du protocole standard.

Cette stabilisation pourrait s’avérer cruciale pour les applications où la détection des signaux subtils est essentielle. “Le signal plus grand est plus facile à détecter, donnant une sensibilité améliorée”, a déclaré Levenson-Falk.

“Notre étude donne la meilleure sensibilité pour détecter la fréquence d’un qubit à ce jour. Plus important encore, notre protocole ne nécessite aucune rétroaction et aucune ressource de contrôle ou de mesure supplémentaire, ce qui le rend immédiatement applicable dans diverses technologies de calcul quantique et de capteurs quantiques.”

165% d’amélioration de la capacité de détection

Les chercheurs ont démontré leur protocole sur un qubit supraconducteur, atteignant jusqu’à 1,65 fois une meilleure efficacité par mesure par rapport au protocole standard connu sous le nom d’interférométrie Ramsey. L’analyse théorique a indiqué des améliorations potentielles pouvant atteindre 1,96 fois dans certains systèmes.

Levenson-Falk a déclaré que sa démonstration expérimentale de détection avec un état stabilisé montre qu’il existe des moyens d’améliorer les capteurs quantiques sans recourir à des techniques complexes comme la rétroaction en temps réel ou en empreneur de capteurs.

“Cela montre également que nous n’avons pas encore extrait toutes les informations possibles de ces types de mesures. Des protocoles de détection encore meilleurs sont là-bas, et nous pourrions les utiliser pour avoir des impacts immédiats du monde réel.”