III. Information quantique

Les technologies quantiques et l’information quantique sont à l’aube de fournir une toute nouvelle façon de penser et utiliser l’information, les communications et le calcul. La théorie quantique impose en effet de complètement renouveler notre intuition sur comment manipuler des données, à cause, par exemple, de l’impossibilité de copier une information inconnue. Cependant, un tel effort permet en retour de concevoir une gamme d’outils complètement nouveaux, comme des moyens de télécommunication robustes à l’espionnage ou des systèmes de calculs aux complexités  algorithmiques battant ce que l’on connaît en théorie classique. De nombreuses plateformes sont à l’étude pour concrètement implémenter ces idées, allant de systèmes photoniques en optique quantique à des systèmes complexes en physique de la matière condensée et physique mésoscopique. L’ensemble de ces avantages reposent de façon fondamentale sur les principes physiques de la théorie quantique : il est donc crucial de comprendre tous les aspects de cette théorie pour en tirer pleinement parti.

Chercheurs : Giuseppe Patera, Alexandre Feller

Systèmes ouverts pilotés

La photonique quantique intégrée combine des fonctions haute densité et hautes performances sur des puces à faible encombrement. Ces dernières années, un intérêt particulier a été suscité par la possibilité d'exploiter les non-linéarités optiques des puces de silicium pour générer des états quantiques multimodes en utilisant des degrés de fréquence/temps. liberté. Notre groupe a récemment introduit la décomposition analytique de Bloch-Messiah [Phys. Rev. Lett 125, 103601 (2020)] comme outil théorique pour découpler la dynamique complexe des micro-résonateurs en termes d'observables théoriquement indépendants que nous avons appelés morphing. supermodes et de caractériser leurs propriétés quantiques. En appliquant cette approche à la lumière générée par un microrésonateur pompé en mode synchrone par un train d'impulsions périodiques, nous avons découvert [Phys. Rev. Research 5, 023178 (2023)] que la caractérisation traditionnelle basée sur l'homodyne. la détection est incomplète car certaines corrélations quantiques (telles que le compression) restent cachées à ce type de mesure. Nous avons également étudié des solutions classiques au-dessus du seuil dans les régimes de pompage CW et avons caractérisé leurs propriétés quantiques [Phys. Lett. A 493, 129272 (2024)]. D'autre part, les impulsions lumineuses ultrarapides permettent d'étudier la dynamique des systèmes à des échelles de temps ultracourtes et présentent des structures en peigne à large fréquence utilisées en métrologie de haute précision. Le domaine de l'optique ultrarapide avec des techniques de contrôle cohérentes a prospéré récemment, conduisant à une riche boîte à outils pour la génération. des impulsions dotées de propriétés temporelles et spectrales adaptées. L’exploitation des caractéristiques quantiques de la lumière a fait progresser l’exploration de la physique fondamentale, la communication quantique et la métrologie quantique.

Décohérence et transition quantique-classique

Le problème de la transition quantique-classique concerne l'étude des mécanismes qui dégradent les propriétés quantiques des systèmes et les font se comporter comme des systèmes classiques. Ce processus, appelé décohérence, est un phénomène émergent qui soulève de nombreuses interrogations depuis l'avènement de la théorie quantique et qui provient de l'intrication entre le système et son environnement. La compréhension de ce phénomène, et son contrôle, est un enjeu majeur pour la construction de systèmes exploitant les principes de la physique quantique. Malgré les nombreux succès théoriques et expérimentaux dans l'étude de la décohérence, le problème de la transition quantique-classique n'est toujours pas complètement clarifié.

Un élément central manquant dans l'approche traditionnelle de la décohérence est l'étude de la physique des observateurs eux-mêmes, et pas seulement celle du système, afin de comprendre comment un réseau d'observateurs, munis de ressources spécifiques, peut accéder et reconstruire une image classique commune, si tant est qu'elle existe. Cette question fut approchée par les travaux récents de Zurek sur le Darwinisme quantique et formalisée grâce aux outils de la théorie quantique de l'information. Bien qu'étant des résultats forts, ils ne permettent cependant pas de répondre de façon physiquement claire aux problèmes ni de l'existence ni de la reconstruction d'une image classique commune. Des travaux de recherches menés dans l'équipe cherchent à bâtir un cadre général d'étude de la physique des observateurs basé sur les ressources permettant d'analyser avec précision le problème de l'émergence et de la reconstruction d'une description classique d'un système quantique en le mettant à la portée de tests expérimentaux.