Un matin la semaine dernière, je suis arrivé sur le campus, en même temps qu’un collègue du département d’Histoire, qui étudie l’histoire de la physique. Alors que nous marchions vers le centre du campus depuis le parking, il a posé la question de titre de ce post: « Comment créez-vous un enchevêtrement quantique? »Il a noté qu’il avait lu beaucoup d’articles de pop-science parlant des aspects étranges de la physique qui se produit Une fois que vous avez deux particules enchevêtrées, mais ils avaient tendance à sauter légèrement sur les détails de la façon dont vous les empêtrez en premier lieu.,

nous avons eu une belle conversation à ce sujet en marchant, et j’ai classé cela comme sujet pour un article de blog. Je me suis dit que si mon collègue était confus à ce sujet, alors un tas d’autres personnes le sont probablement aussi. Et même si j’ai certainement beaucoup écrit sur l’intrication ici (la première page des résultats Google pour « Orzel forbes intrication » donne un, deux, trois, quatre, cinq, six, sept, huit, neuf liens, et ce n’est pas tous), il est également vrai que je ne suis pas entré dans autant de détails sur la création de l’intrication., Ce qui s’avère être plus facile que vous ne le pensez des traitements de physique pop qui soulignent son étrangeté, et c’est une excellente excuse pour un article de blog.

Avant de faire cela, cependant, il est important de définir les paramètres de base de ce que nous entendons par « l’intrication quantique. »L’idée centrale est très simple: vous avez deux particules, dont chacune peut être dans l’un des deux états, et les mettez dans un état où leurs états sont indéterminés, mais corrélés., Si vous les mesurez individuellement, vous obtenez une distribution aléatoire de réponses » 0 « et » 1″, mais si vous répétez les mesures plusieurs fois pour de nombreuses paires préparées de manière identique, vous constatez que les listes résultantes de mesures » 0 « et » 1  » sont identiques. L’état de l’une des deux particules dépend de l’état de l’autre, et que la corrélation tiendra, même quand ils sont séparés.,

maintenant, voici une brève description de quatre façons dont vous pouvez prendre deux objets et les mettre dans ce genre d’état quantique intriqué:

1) enchevêtrement depuis la naissance: la grande majorité des expériences d’enchevêtrement quantique à ce jour utilisent les photons comme particules enchevêtrées, pour la simple raison qu’il est vraiment facile d’enchevêtrer deux photons. Et la plupart des façons dont les gens doivent enchevêtrer les photons vous donnent juste un État enchevêtré dès le départ.

la façon historique de le faire est d’utiliser une transition « en cascade », comme cela a été fait par Alain Aspect et ses collègues dans un ensemble classique d’expériences au début des années 1980, et par Freedman et Clauser un peu plus tôt., Dans ces expériences, ils ont mis un tas d’atomes de calcium dans un niveau d’énergie hautement excité où l’électron est interdit de revenir à l’état fondamental en émettant un seul photon. Au lieu de cela, ils se désintègrent en émettant deux photons, passant par un état intermédiaire avec une courte durée de vie. L’émission d’un photon est suivie en quelques nanosecondes par l’émission du second, donc si vous en voyez un, vous savez que l’autre devrait être quelque part., Et alors que ces photons sont émis dans des directions aléatoires, quand il arrive qu’ils soient émis dans des directions opposées, alors la conservation de angulaire exige que leurs polarisations doivent être corrélées les unes aux autres: c’est-à-dire qu’ils doivent être dans un État enchevêtré.

les sources en Cascade fonctionnent, mais elles sont assez lentes car chaque atome tire des photons dans des directions aléatoires, donc obtenir deux photons envoyés dans les bonnes directions pour frapper vos détecteurs peut prendre un certain temps., Le secteur de l’intrication quantique a été révolutionné par le développement de sources de » downconversion paramétrique », qui utilisent des cristaux optiques non linéaires pour convertir des photons uniques à haute énergie en paires de photons avec la moitié de l’énergie initiale. Un laser violet brillant dans l’un de ces cristaux (le matériau le plus couramment utilisé est le « bêtabaryum borate » ou « BBO ») produira un petit nombre de paires de photons dans le proche infrarouge., Il y a encore un peu de hasard dans le processus, mais la conservation de l’élan nécessite que les paires sortent sur les côtés opposés d’un cône autour du faisceau laser d’origine, ce qui vous permet de placer deux détecteurs exactement au bon endroit pour attraper les photons. Et avec la bonne disposition du cristal (en fait deux cristaux minces collés ensemble de la bonne manière), les polarisations des deux photons seront corrélées exactement de la manière dont vous devez démontrer l’enchevêtrement.,

ces sources paramétriques de downconversion vous permettent d’obtenir un taux de comptage beaucoup plus élevé, ce qui permet aux expériences d’atteindre des niveaux de signification statistique vraiment ridicules. Le système de base est également assez simple pour être une expérience de laboratoire de premier cycle; nous avons eu plusieurs étudiants ces dernières années faire leurs thèses supérieures sur la downconversion paramétrique (pas encore avec l’enchevêtrement, mais j’ai des étudiants d’été alignés pour travailler là-dessus). Ce sont également les sources clés pour les expériences sur la téléportation quantique, et de nombreuses expériences d’information quantique., Si vous lisez un article de presse dont le titre fait référence à la description dérisoire D’Einstein de l’enchevêtrement, « interaction fantasmagorique à distance », il y a probablement environ 75% de chances qu’il décrit des expériences qui utilisent la downconversion paramétrique d’une manière ou d’une autre.

2) la Deuxième Génération de l’Enchevêtrement., Les Photons sont parfaits pour démontrer l’enchevêtrement et transmettre des informations, mais le monde n’est pas seulement des photons, et ils ont des inconvénients importants. Le principal d’entre eux qu’ils sont un peu difficiles à garder, car par définition, ils se déplacent toujours quelque part à la vitesse de la lumière. Pour beaucoup de raisons, il serait plus agréable d’emmêler les particules matérielles à la place, car elles sont plus faciles à retenir pendant de longues périodes.,

l’Une des façons les plus simples d’imaginer de faire est de prendre une paire de photons qui sont produites dans un empêtré état, et de les diriger à, disons, une paire d’atomes qui peuvent absorber les photons en question. L’état final de l’absorption de photons dépendra de la polarisation des photons, donc puisque les polarisations sont indéterminées mais corrélées, vous vous retrouverez avec deux atomes dont les États sont indéterminés mais corrélés.,

en pratique, c’est un peu délicat, car les sortes de photons enchevêtrés que vous pouvez générer facilement ne se connectent pas facilement aux États atomiques qui durent longtemps. Si vous êtes intelligent, cependant, vous pouvez trouver des moyens de faire ce genre de chose, et convertir l’enchevêtrement des photons en enchevêtrement des atomes qui absorbent ces photons.

3) l’Enchevêtrement Par Accident. Cette méthode est une astuce intelligente qui tourne en quelque sorte la méthode précédente à l’envers., Autrement dit, cela commence par une paire d’atomes à différents endroits qui émettent des photons. Rapprocher les photons de la bonne manière peut enchevêtrer les états des deux photons, d’une manière qui conduit à l’enchevêtrement des atomes d’origine.

j’ai appris cela pour la première fois lors d’expériences menées par le groupe de Chris Monroe au Maryland (lien vers un article sur mon autre blog), où ils utilisaient des ions ytterbium détenus dans des pièges à ions séparés. Les ions étaient excités à un État à partir duquel ils pouvaient se désintégrer de l’une des deux manières suivantes, émettant un photon avec l’une des deux polarisations., Ils collectent les photons émis, et les rassemblent sur un séparateur de faisceau, avec deux photodétecteurs placés aux deux sorties du séparateur de faisceau.

dans cette configuration, environ 25% du temps ils obtiennent deux photons atteignant le beamsplitter, ils détecteront un photon à chaque sortie. De l’optique quantique, nous savons que lorsque cela se produit, les deux photons avaient des polarisations opposées, ce qui signifie que les deux ions se sont retrouvés dans deux états différents. Mais ils n’ont aucun moyen de savoir quel ion a émis quel photon., Ainsi, les deux ions retrouvent empêtrés: si vous mesurez les états individuels, vous obtenez des résultats aléatoires, mais si vous comparez les listes de résultats pour chaque ion sur beaucoup de répétitions, vous trouverez qu’ils sont parfaitement corrélés.

ceci est intrinsèquement probabiliste, et les expériences originales en 2009(-ish) étaient très lentes. Ils ont fait quelques raffinements du schéma de base, mais ce n’est toujours pas une source aussi pratique de paires intriquées que vous obtenez avec la downconversion paramétrique., C’est, cependant, une astuce exceptionnellement cool, car les deux ions ne sont jamais proches l’un de l’autre-ils sont piégés dans des chambres à vide entièrement séparées, sur différentes parties de la table laser. La seule chose qui est rassemblée est la lumière qu’ils ont émise, mais c’est suffisant pour emmêler les ions, avec tous les résultats étranges qui en découlent.

4) l’Enchevêtrement Par l’Interaction. Le bit le plus cool de la méthode précédente-que les ions sont toujours séparés-pointe vers la méthode finale de génération d’enchevêtrement, qui consiste simplement à rapprocher les deux et à les laisser interagir de manière à ce que les états finaux des deux particules dépendent l’un de l’autre., C’est, après tout, le sens essentiel de ce qu’est un État enchevêtré.

Il existe un tas de façons de le faire, principalement associées à différents schémas de calcul quantique, mais il pourrait être plus facile d’imaginer en utilisant un schéma de « blocus de Rydberg ». L’idée ici est que si vous avez deux atomes à l’état fondamental séparés par une petite distance, ils ne s’affectent pas, mais si vous excitez ces atomes à un État de très haute énergie (un « État de Rydberg » dans le jargon de la physique atomique), ils interagissent sur des plages plus longues, et peuvent ainsi déplacer les niveaux d’énergie,

Si vous arrangez les choses correctement, l’excitation d’un atome à L’état de Rydberg décalera suffisamment les niveaux d’énergie de l’autre pour qu’il ne puisse pas être excité par le même laser. Donc, vous utilisez une impulsion laser pour mettre dans une superposition de l’état fondamental et l’état de Rydberg, puis essayez à exciter le deuxième atome, il se retrouve dans une superposition c’est parfaitement anti-corrélation avec le premier atome: la partie de la première atome dans l’état fondamental est couplé avec la partie de la deuxième atome dans le niveau de Rydberg, et vice versa. En d’autres termes, les deux atomes sont maintenant enchevêtrées.,

ceci est un exemple simple d’interaction qui conduit à des états finaux indéterminés mais corrélés, mais il fait passer l’idée clé. De tout temps, vous pouvez apporter de deux systèmes de telle manière que l’état final d’une particule dépend de l’état d’entrée de l’autre, vous pouvez faire un empêtré état en faisant que l’état d’entrée d’une superposition quantique. Cela conduira nécessairement à une paire de particules dont chacune est dans un état indéterminé, toutes les mesures éventuelles de ces états étant parfaitement corrélées (ou anti-corrélées)., C’est une idée puissante, et centrale à peu près tous les schémas d’informatique quantique.

Il convient de noter, ici, que tous ces schémas ont une caractéristique commune, à savoir que l’enchevêtrement est créé de manière locale., Autrement dit, les schémas impliquent soit des particules enchevêtrées qui sont au même endroit à un moment donné (les photons enchevêtrés proviennent du même atome ou du même photon d’entrée, et les atomes en interaction sont nécessairement proches les uns des autres), soit ils interagissent via quelque chose qui passe entre eux à une vitesse maximale de la lumière (une paire de photons enchevêtrés se déplaçant vers des atomes séparés, ou les photons de deux ions se déplaçant vers un séparateur de faisceaux)., C’est une caractéristique essentielle pour garder l’étrangeté de l’intrication contenue-vous ne pouvez pas simplement enchevêtrer arbitrairement deux particules qui n’ont pas d’histoire commune, ce qui exclut la plupart des tentatives de justifier les phénomènes paranormaux en invoquant l’intrication quantique.

ces méthodes pour générer l’intrication sont très générales, et il existe de nombreux détails techniques pour les implémenter avec des systèmes spécifiques que je saute., Ceux-ci devraient aider à faire passer les idées générales, cependant, donc la prochaine fois que vous lirez un article pop-science sur l’intrication quantique, vous aurez une meilleure idée de l’endroit d’où cela vient.