Améliorer la sensibilité de mesures quantiques avec la décohérence.

21 juillet 2011


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Le couplage d’un système quantique avec son environnement conduit à la perte de ses spécificités quantiques, c’est ce que l’on appelle la décohérence. C’est un problème important lorsque l’on cherche à atteindre les limites ultimes de sensibilité dans les mesures sur des systèmes quantiques. La plupart des méthodes proposées pour améliorer la sensibilité de ces mesures dans l’objectif d’atteindre les limites fondamentales voient leur efficacité fortement réduite par ce phénomène. Deux physiciens du Laboratoire de Physique Théorique (CNRS / Univ. de Toulouse III - Paul Sabatier) viennent de proposer un protocole de mesures dans lequel le phénomène de décohérence ne serait plus l’obstacle essentiel à l’amélioration de la sensibilité. Ce travail a fait l’objet d’une publication dans la revue Nature Communications.

Pour atteindre cet objectif, les physiciens proposent d’utiliser des états quantiques séparables nettement moins sensibles au bruit et pour lesquels les systèmes individuels sont indépendants. L’idée est de construire un dispositif dans lequel les systèmes quantiques individuels sont tous couplés de la même manière à un même environnement. Plutôt que de mesurer ces systèmes individuels, c’est l’environnement qui est sondé. Cette méthode a l’avantage d’être robuste par rapport aux perturbations néfastes de l’environnement.


Dispositif pour mesurer la longueur d’une cavité.

Un ensemble de N atomes (ou ions), piégés dans deux réseaux optiques orthogonaux à l’axe de la cavité, est en résonance avec un mode unique de la cavité, lui-même couplé à l’extérieur par un miroir semi transparent. Les atomes sont initialement préparés dans un état sombre, pour lequel un phénomène d’interférence destructive empêche les excitations d’être transférées des atomes vers la cavité. Dès que la longueur de la cavité varie, les états sombres évoluent, et l’état initial est exposé à la décohérence collective, détectable par le biais de photons qui s’échappent au travers du miroir semi transparent avec un taux proportionnel à N². Ce signal permet de mesurer le changement de longueur de la cavité avec une sensibilité de l’ordre 1/N, mieux connue sous le nom de limite de Heisenberg. Cette limite peut être atteinte même pour un état initial séparable de l’ensemble d’atomes.

En savoir plus

Heisenberg-limited sensitivity with decoherence-enhanced measurements, Daniel Braun ¹ & John Martin ². Nature Communications, 2, 223, doi : 10.1038/ncomms1220 (2011).