Une nouvelle voie pour décrypter les systèmes quantiques

Dans quel état se trouve un système quantique? Répondre à cette question est essentiel pour exploiter les propriétés quantiques et développer de nouvelles technologies. En pratique, cette caractérisation repose généralement sur des mesures directes, qui exigent des systèmes extrêmement bien contrôlés, tant leur sensibilité aux perturbations extérieures peut fausser les résultats. Cette contrainte limite leur applicabilité à certains contextes expérimentaux. Une équipe de l’Université de Genève (UNIGE) propose une approche alternative, adaptée à des systèmes quantiques ouverts où l’interaction avec l’environnement se transforme en atout plutôt qu’en obstacle. Ces travaux, publiés dans Physical Review Letters avec le label «choix des éditeurs», rapprochent un peu plus les technologies quantiques de conditions d’utilisation réelles.

Les technologies quantiques – qu’il s’agisse d’ordinateurs, de capteurs ou de systèmes de cryptographie – reposent toutes sur une étape essentielle: la caractérisation des états quantiques. Autrement dit, il s’agit d’identifier l’ensemble des paramètres décrivant un système, afin d’en avoir une description complète et exploitable.

Ce procédé, appelé tomographie d’état quantique (Quantum State Tomography ou QST), nécessite un grand nombre de mesures différentes. Ces protocoles supposent en général que le système soit très faiblement couplé à son environnement, car toute interaction non contrôlée peut altérer les résultats et les propriétés du système quantique lui-même. Cette contrainte est particulièrement forte pour les plateformes d’informatique quantique.

Faire de l’environnement un allié

Des scientifiques de l’UNIGE ont développé une méthode plus souple, qui s’écarte de cette approche conventionnelle. Plutôt que de mesurer directement le système, leur protocole repose sur des mesures de transport, c’est-à-dire des mesures fondées sur la circulation des particules à travers le système quantique.

Concrètement, la méthode s’applique à des systèmes couplés à plusieurs environnements, par exemple soumis à des différences de potentiel ou de température. Ces déséquilibres induisent des flux de particules à travers le système quantique. En mesurant finement ces courants et leurs corrélations, il devient possible d’accéder aux paramètres décrivant l’état quantique, sans recourir à des mesures projectives directes sur le système lui-même.

«Nos travaux montrent que l’interaction avec l’environnement, souvent considérée comme une source de perturbations indésirables, peut au contraire devenir une ressource informationnelle lorsqu’elle est correctement exploitée», explique Géraldine Haack, professeure assistante au Département de physique appliquée de la Faculté des sciences de l’UNIGE, lauréate du programme de relève universitaire de la Fondation Sandoz, qui a dirigé ce projet. Il a été mené en collaboration avec Jeanne Bourgeois, première auteure, alors en stage de master à l’UNIGE et aujourd’hui affiliée à l’EPFL en tant que doctorante, et Gianmichele Blasi, alors postdoctorant à l’UNIGE et aujourd’hui postdoctorant à l'IFISC de l'Université des îles Baléares à Majorque.

Des dispositifs plus proches d’applications réelles

Si cette approche ne remplace pas les protocoles requis pour l’informatique quantique, qui nécessite des systèmes très fortement isolés, elle représente un atout majeur pour la caractérisation et la certification d’états quantiques dans des dispositifs ouverts, en particulier pour les capteurs quantiques. Ces capteurs, capables d’atteindre des sensibilités extrêmes, trouvent des applications dans de nombreux domaines allant de la santé (imagerie et diagnostics avancés) à la géophysique, en passant par l’exploration des ressources naturelles et la navigation autonome.

Cette méthode présente également un intérêt pour le calcul neuromorphique quantique, une approche de calcul inspirée du fonctionnement du cerveau, qui repose sur des systèmes physiques interagissant en continu avec leur environnement. Dans ce contexte, l’information est traitée par l’évolution collective du système plutôt que par des opérations logiques isolées, ce qui rend la caractérisation d’états quantiques ouverts particulièrement pertinente. Les récentes découvertes faites par l’équipe de l’UNIGE dotent ainsi ces technologies quantiques prometteuses d’un outil clé pour leur développement vers des applications réelles.