En utilisant une IA spécialement créée pour développer des protocoles d’expériences d’optique quantique, des physiciens ont identifié une technique plus simple pour réaliser l’intrication quantique. Elle consiste à s’assurer que les directions de sortie des photons soient indiscernables, ce qui permettrait d’intriquer deux photons non appariés. Nettement plus pratique que les précédentes, cette technique pourrait contribuer à faciliter le développement de technologies quantiques.
L’intrication (ou enchevêtrement) quantique est un phénomène au cours duquel deux particules forment un système lié et partagent des propriétés quantiques, quelle que soit la distance qui les sépare. Ce phénomène est largement exploré pour les expériences de physique quantique et constitue l’une des caractéristiques clés sur lesquelles repose la puissance des ordinateurs quantiques.
Les techniques pour induire une intrication quantique consistent généralement à créer au préalable une interaction locale entre les particules, par exemple en générant des effets optiques non linéaires. La procédure standard consiste à utiliser deux paires de photons intriqués, puis de mesurer la force d’intrication au niveau d’un des photons de chaque paire – un protocole appelé « mesure de l’état de Bell ».
Cette mesure provoque l’effondrement du système quantique tout en laissant les deux photons non mesurés intriqués, sans que ceux-ci n’aient interagi l’un avec l’autre ni partagé un passé commun. Ce processus dit « d’échange d’intrication » est par exemple utilisé pour la téléportation quantique, une technique de transfert d’informations consistant à transmettre l’état quantique d’un système vers un autre similaire, mais distant, sans devoir déplacer physiquement le système initial.
Des chercheurs de l’Université chinoise de Nanjing et de l’Institut Max Planck pour la science de la lumière (en Allemagne) ont découvert un moyen plus simple de produire une intrication quantique. Alors que leur objectif initial était de reproduire les protocoles déjà établis pour l’échange d’intrication quantique, l’outil d’IA qu’ils ont utilisé a proposé une procédure simplifiée. « Nous démontrons ici une manière fondamentalement différente d’enchevêtrer deux particules indépendantes, sans aucune interaction directe ni partage de passé commun », expliquent-ils dans leur document, publié dans Physical Review Letters.
Une technique simplifiée utilisant des ressources entièrement différentes
L’équipe de la nouvelle étude a utilisé un outil d’IA appelé PyTheus, spécialement développé pour concevoir des expériences d’optique quantique. Il a été entraîné sur un ensemble de données complexes décrivant la manière dont les expériences doivent être effectuées selon diverses conditions et paramètres.
L’IA a proposé un nouveau protocole selon lequel l’intrication pourrait émerger si les directions de sortie des photons sont indiscernables. Autrement dit, elle émergerait lorsqu’il existe plusieurs sources possibles à partir desquelles les photons sont émis. « L’algorithme a exploité une superposition des origines multiples de photons pour atteindre le même objectif [que le processus beaucoup plus long d’échange quantique], en utilisant des ressources entièrement différentes », explique Mario Krenn de l’Institut Max Planck pour la science de la lumière, coauteur de l’étude, sur X.
Les chercheurs ont admis avoir été sceptiques au départ, mais l’outil continuait tout de même à produire le même résultat. « Comme première tâche, nous avons cherché à redécouvrir l’échange d’intrication, l’un des protocoles les plus importants dans les réseaux quantiques. Curieusement, l’algorithme a continué à produire quelque chose d’autre — quelque chose de plus simple — que nous pensions initialement incorrect », indique Krenn.
Après des analyses approfondies, les experts ont constaté que le protocole de PyTheus permettait d’intriquer deux photons distants sans besoin d’intrication au préalable et sans projection d’état de Bell – ce qui est fondamentalement différent des précédentes techniques. « Pour moi, cela a changé ma perspective sur ce qui est nécessaire pour créer une intrication, non pas parce que je sais maintenant ce qui est nécessaire, mais parce que nous avons réalisé ce qui ne l’est pas », affirme l’expert.
Ces résultats pourraient avoir d’importantes implications pour le développement des technologies quantiques. Cette technique pourrait notamment faciliter la conception de réseaux de communication quantique plus complexes et performants. « La possibilité de construire des réseaux plus complexes, qui pourraient se ramifier en différentes géométries, pourrait avoir un impact important par rapport au cas unique de bout en bout », explique à Live Science Sofia Vallecorsa du Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (CERN), qui n’a pas participé à la recherche.
Toutefois, il est important de noter que la reproductibilité de la technique reste à déterminer, notamment en ce qui concerne sa vulnérabilité aux bruits environnementaux. Néanmoins, elle met en avant le potentiel de l’IA dans l’accélération des avancées scientifiques, malgré le scepticisme que la technologie suscite parfois chez certains chercheurs.
