Récemment, l’équipe de recherche dirigée par Feng Mang de l’Institut d’innovation en mesure de précision et technologie scientifique de l’Académie chinoise des sciences, en collaboration avec l’Université de Zhengzhou et d’autres institutions, a réalisé pour la première fois une accélération de l’intrication quantique dans un système non hermitien sur une plateforme expérimentale d’ions piégés, dépassant avec succès la limite de vitesse quantique hermitienne traditionnelle. L’expérience a permis d’augmenter la vitesse de préparation de l’état intriqué à 1,52 fois celle du schéma original. Les résultats correspondants ont été publiés en ligne le 28 mai dans Physical Review Letters.

L’intrication quantique est une ressource essentielle pour l’informatique quantique, la communication quantique et la détection quantique. Pour qu’une puce quantique haute performance puisse effectuer des calculs complexes, il est nécessaire d’établir rapidement et de manière stable des relations d’intrication entre les qubits ; la communication quantique repose sur l’intrication pour assurer une transmission sécurisée des informations ; et la détection quantique nécessite l’intrication pour améliorer la sensibilité des mesures. Pendant longtemps, dans les systèmes quantiques hermitiens traditionnels, la vitesse de génération de l’intrication a été limitée par la force de couplage entre les qubits. Plus le couplage est fort, plus la préparation de l’intrication peut être rapide, mais la puissance laser, les modes de mouvement des ions, la décohérence et la précision de contrôle dans les systèmes expérimentaux imposent des contraintes pratiques. Ainsi, la question « est-il possible d’accélérer la génération de l’intrication sans augmenter la force de couplage cohérent ? » a toujours été un problème majeur dans le domaine du contrôle quantique.

La voie proposée par cette étude consiste à utiliser la dissipation contrôlable et l’effet de point exceptionnel dans les systèmes non hermitiens. En général, la dissipation est considérée comme un facteur défavorable qui détruit la cohérence quantique, car elle entraîne une fuite des états quantiques, une décohérence ou une réduction de la probabilité de succès. L’équipe de recherche n’a pas simplement évité la dissipation, mais l’a plutôt régulée comme une ressource concevable dans l’expérience, en rapprochant les paramètres du système du point exceptionnel du système non hermitien. Dans ces conditions, la structure géométrique de l’espace de Hilbert change, le chemin d’évolution de l’état quantique est compressé, et le processus de génération de l’intrication bénéficie d’un effet similaire à un « raccourci ».

La plateforme expérimentale utilise deux ions calcium pour former un système de piège linéaire de Paul, les qubits étant codés sur les niveaux d’énergie fondamentaux et métastables des ions. L’équipe a utilisé un laser à 729 nm pour piloter les transitions cohérentes des qubits, et un laser à 854 nm pour introduire un canal de dissipation réglable, tout en utilisant un champ laser bicolore pour réaliser une interaction efficace entre les deux ions. En présence uniquement d’interaction cohérente, la force de couplage est de J = 2π × 625 Hz, correspondant à un temps de porte de préparation de l’état de Bell de 200 microsecondes ; sous une force de couplage cohérent fixe, l’expérience a progressivement ajusté les paramètres non hermitiens, réduisant le temps de préparation de l’intrication à 177 microsecondes, 155 microsecondes et 132 microsecondes, le schéma le plus rapide étant environ 1,52 fois plus efficace que le schéma hermitien traditionnel.

La valeur scientifique et technologique de ce résultat réside dans le fait qu’il fait passer la physique non hermitienne d’un mécanisme théorique d’accélération à une expérience d’information quantique avec des ions piégés. Le système d’ions piégés, avec sa haute cohérence et sa contrôlabilité, constitue une plateforme importante pour l’informatique quantique et la mesure de précision ; le système non hermitien offre une nouvelle dimension de régulation pour l’évolution des états quantiques. Leur combinaison permet aux chercheurs d’explorer des portes quantiques, une préparation d’intrication et des méthodes de contrôle d’état plus rapides sans simplement augmenter la force de couplage cohérent. Pour l’informatique quantique future, plus la vitesse des portes quantiques est élevée, plus le système a de chances d’effectuer davantage d’opérations avant que la décohérence ne se produise, ce qui pourrait améliorer la profondeur des circuits quantiques et la fiabilité des calculs.

L’expérience a également révélé le coût du mécanisme d’accélération. L’accélération non hermitienne repose sur une dissipation contrôlable : plus l’intrication est générée rapidement, plus la probabilité de fuite de population en dehors du sous-espace de calcul augmente, et la probabilité de succès diminue en conséquence. Cela signifie que cette technique n’améliore pas inconditionnellement l’efficacité de toutes les opérations quantiques, mais cherche un nouvel équilibre entre vitesse, fidélité, probabilité de succès et stabilité du système. Les recherches futures devront optimiser davantage les paramètres non hermitiens, les canaux de dissipation, les méthodes de lecture et les mécanismes de compensation d’erreur, afin de déterminer si cette méthode d’accélération peut être étendue à un plus grand nombre de qubits, à des portes quantiques plus complexes et à des scénarios de processeurs quantiques programmables.

Du point de vue des applications industrielles et de la recherche scientifique, l’accélération de l’intrication quantique ne se traduira pas immédiatement par des ordinateurs quantiques commerciaux, mais elle offre une nouvelle direction expérimentale pour un contrôle quantique de haute qualité. L’informatique quantique, la communication quantique et la détection quantique dépendent toutes de ressources d’intrication stables et contrôlables. Toute technologie capable de réduire le temps de préparation et d’élargir les voies de contrôle pourrait fournir un soutien fondamental pour l’intégration future des systèmes quantiques. La réalisation par l’équipe de recherche chinoise d’une accélération de l’intrication dans un système ionique piégé non hermitien montre que la dissipation contrôlable n’est plus seulement un facteur perturbateur à supprimer, mais peut également devenir un outil efficace pour concevoir des processus d’évolution quantique plus rapides. À mesure que les mécanismes associés continueront d’être validés, la régulation quantique non hermitienne devrait jouer un rôle plus important dans les portes quantiques à haute fidélité, la préparation d’états intriqués complexes et la mesure de précision quantique.