Schéma permettant d’extraire la contextualité de la non-localité tripartite. Crédit : Image de Zheng-Hao Liu, et al.
Une équipe de scientifiques a étudié la version à système unique de la nonlocalité multipartite de Bell et a observé le plus haut degré de contextualité quantique dans un système unique. Leurs travaux ont été publiés dans Physical Review Letters. Chuanfeng Li et Jinshi Xu de l’Université des sciences et technologies de Chine (USTC) de l’Académie chinoise des sciences (CAS), en collaboration avec les professeurs Jingling Chen de l’Université de Nankai et Adán Cabello de l’Université de Séville.
La contextualité quantique fait référence au phénomène selon lequel les mesures des observables quantiques ne peuvent pas être simplement considérées comme révélant des propriétés préexistantes. Il s’agit d’une caractéristique distinctive de la mécanique quantique et d’une ressource cruciale pour l’informatique quantique. La contextualité défie les théories des variables cachées non contextuelles et est étroitement liée à la non-localité quantique.
Dans les systèmes multipartites, la non-localité quantique résulte de la contradiction entre la contextualité quantique et les théories des variables cachées non contextuelles. L’étendue de la non-localité peut être mesurée par la violation de l’inégalité de Bell et des recherches antérieures ont montré que la violation augmente de manière exponentielle avec le nombre de bits quantiques impliqués. Cependant, bien qu’un système à haute dimension à une seule particule offre plus de possibilités de mesures que les systèmes multipartites, la recherche de l’amélioration de la robustesse de la corrélation contextuelle reste un défi permanent.
Pour observer une contextualité quantique plus robuste dans un système à une seule particule, les chercheurs ont adopté une approche des corrélations quantiques fondée sur la théorie des graphes. Ils ont associé les relations de commutation entre les mesures utilisées dans les corrélations de non-localité à un graphe d’exclusivité et ont ensuite recherché un autre ensemble de mesures dans le système unique à haute dimension qui présente une relation de commutation isomorphe au graphe. Cette approche permet de quantifier pleinement les propriétés non classiques des corrélations quantiques à l’aide de paramètres de graphe.
Les chercheurs ont découvert qu’après avoir transformé l’inégalité de Bell de Mermin-Ardehali-Belinskii-Klyshko (MABK) en inégalité de non-contextualité à l’aide de l’approche ci-dessus, la violation maximale est la même, mais la dimension de l’espace de Hilbert requise est plus petite par rapport à la dimension de l’inégalité de Bell d’origine. Des recherches supplémentaires ont indiqué que ce phénomène de concentration de la contextualité, dans lequel la contextualité passe de corrélations de non-localité à des corrélations à haute dimension à une seule particule, est largement observé dans une classe de corrélations de non-localité découverte précédemment par l’équipe.
Dans l’expérience, les chercheurs ont mis au point une technique de modulation spatiale de la lumière pour obtenir une préparation et une mesure d’état quantique de haute fidélité dans un système quantique à sept dimensions basé sur le codage de mode spatial des photons.
En garantissant une perturbation minimale entre les mesures initiales et ultérieures, ils ont observé une violation dépassant 68 écarts types dans l’inégalité de non-contextualité dérivée de l’inégalité MABK tripartite. Le rapport entre la valeur de la violation quantique et la limite classique a atteint 0,274, établissant un nouveau record pour le rapport le plus élevé dans les expériences de contextualité à une seule particule.
La découverte de la concentration de contextualité quantique jette non seulement les bases de l’observation d’un plus grand nombre de corrélations quantiques, mais offre également la possibilité de faire progresser la réalisation de l’informatique quantique dans divers systèmes physiques.
Référence : « Experimental Test of High-Dimensional Quantum Contextuality Based on Contextuality Concentration » par Zheng-Hao Liu, Hui-Xian Meng, Zhen-Peng Xu, Jie Zhou, Jing-Ling Chen, Jin-Shi Xu, Chuan-Feng Li, Guang-Can Guo et Adán Cabello, 13 juin 2023, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.240202