Récolte d’Enchevêtrement Amélioré

Il est depuis longtemps reconnu que les états de vide décrits par la théorie quantique des champs sont fortement intriqués à travers des régions de type spatial [1]. De plus, ces zones fortement corrélées (intriquées) de l’espace-temps quantique peuvent être exploitées ou « récoltées » à des fins expérimentales, ainsi que pour des applications technologiques potentielles telles que l’extraction et le stockage de l’énergie du vide. Cette technique, qui consiste à exploiter les corrélations non locales intrinsèques du vide quantique, est appelée récolte d’intrication. Il s’agit d’un sujet que nous avons abordé dans des articles précédents de l’ISF, comme le protocole de téléportation d’énergie quantique (qui est accompagné d’une présentation en direct sous forme de webinaire).

Les fondements théoriques de la récolte d’intrication ont été établis dans les années 1980, lorsque les physiciens Summers et Werner ont démontré pour la première fois que l’état de vide d’un champ quantique contient une intrication entre des régions séparées de type spatial [2,3].

Cependant, ce n’est qu’au début des années 2000 que les physiciens ont commencé à explorer des moyens pratiques pour extraire cette intrication. En 1991, Valentini a été le premier à suggérer que des détecteurs de particules pouvaient devenir intriqués par leur interaction avec le vide [4]. Cette idée a été suivie par les travaux révolutionnaires de Reznik en 2003, qui ont formellement établi le protocole de récolte d’intrication [5].

Le protocole implique deux systèmes quantiques qui se couplent localement à un champ quantique. Ces systèmes sont généralement décrits comme des détecteurs Unruh-DeWitt, tels qu’un atome à deux niveaux, pouvant se trouver dans l’un des deux états en fonction de son couplage avec un champ quantique, comme le champ électromagnétique (figure 1, voir également mon article Rayonnement Unruh-Hawking observé dans les électrons accélérés). Grâce à leur interaction avec le vide quantique, ces détecteurs initialement non corrélés peuvent devenir intriqués, même lorsqu’ils sont séparés de manière spaciale et ne peuvent pas communiquer directement.

Ce phénomène remarquable démontre que le vide quantique contient des corrélations quantiques extractibles. Dans mon étude intitulée Le Nexus d’intrication de la conscience [6], j’ai exploré certaines implications de ce fait : les systèmes quantiques peuvent devenir intriqués même sans interaction locale directe, mais via les corrélations intrinsèques du vide quantique, qui constitue un véritable nexus d’intrication pour les atomes et les molécules.

Les premiers travaux théoriques se sont concentrés sur la compréhension des aspects fondamentaux de la récolte d’intrication. Ver Steeg et Menicucci ont démontré que le protocole est sensible à la courbure de l’espace-temps et qu’il peut différencier diverses géométries d’arrière-plan [8]. De plus, le protocole s’est révélé utile pour des applications en métrologie quantique.

La métrologie quantique est la science qui utilise les phénomènes quantiques pour améliorer la précision et l’exactitude des mesures au-delà des limites des techniques classiques. Elle exploite des propriétés uniques de la mécanique quantique telles que l’intrication, la superposition et les états d’écrasement pour obtenir une plus grande sensibilité dans la mesure de grandeurs physiques telles que le temps, la distance, les champs magnétiques ou les ondes gravitationnelles. Par exemple, les états comprimés sont une technique où l’incertitude d’une propriété (par exemple, la phase) est réduite au détriment d’une incertitude accrue d’une propriété complémentaire (par exemple, l’amplitude), améliorant ainsi la sensibilité de la mesure dans la dimension souhaitée. Un protocole de récolte d’enchevêtrement peut être utilisé, car plusieurs capteurs ou détecteurs peuvent être enchevêtrés de manière quantique via les corrélations non locales intrinsèques du vide quantique et l’enchevêtrement peut alors être exploité pour permettre des mesures plus précises que celles qui peuvent être réalisées avec des systèmes indépendants.

Le concept de « culture de l’intrication », selon lequel l’intrication du vide peut être récoltée de manière répétée et distillée en paires de Bell pour servir de ressource quantique, a marqué un développement majeur. Cela a ouvert des possibilités concrètes pour les applications du traitement de l’information quantique.

Des travaux récents ont continué d’approfondir notre compréhension de la récolte d’intrication. Un article publié en 2024 par Teixidó-Bonfill et Martín-Martínez a montré que des détecteurs de particules couplés à un champ via sa dérivée (plutôt que son amplitude) peuvent effectivement récolter de l’intrication, même lorsqu’ils sont en contact causal [9].

Le terme « couplage dérivé » désigne une interaction spécifique entre un système quantique, tel qu’un détecteur de particules, et un champ quantique, où le système se couple aux dérivées spatiales ou temporelles du champ, plutôt qu’à la valeur du champ elle-même. Cela implique que l’interaction du détecteur dépend du taux de variation du champ en un point, capturant ainsi la manière dont le champ évolue dans l’espace ou le temps.

Teixidó-Bonfill et Martín-Martínez ont ainsi démontré que le couplage dérivé permet de récolter une véritable intrication entre les détecteurs, même lorsqu’ils se trouvent dans le cône de lumière de l’autre, ce qui signifie qu’ils peuvent s’influencer mutuellement de manière causale. Cette découverte est significative, car elle montre que l’intrication peut être extraite du champ dans des scénarios où la communication causale directe est possible, remettant en question les hypothèses précédentes selon lesquelles la récolte d’intrication serait limitée aux régions séparées par un intervalle d’espace-temps.

La recherche met en évidence le rôle du couplage dérivé dans la récolte de l’intrication dans des situations impliquant un contact causal, ce qui permet de mieux comprendre l’interaction entre les champs quantiques et l’intrication.

Cela revêt une importance particulière pour les mises en œuvre expérimentales, car le couplage dérivé apparaît naturellement dans divers systèmes physiques, notamment les circuits supraconducteurs couplés à des lignes de transmission. Ainsi, la culture de l’intrication connaît des avancées significatives en termes de compréhension et d’applicabilité, le dernier développement en matière de couplage dérivé permettant une véritable récolte d’intrication lors d’un contact causal (dans lequel les systèmes quantiques, tels que les qubits, n’ont pas besoin de maintenir une isolation spatiale).

À mesure que les technologies quantiques progressent, la récolte d’intrication pourrait constituer une ressource novatrice pour le traitement de l’information quantique. La capacité d’extraire et d’utiliser l’intrication du vide pourrait ouvrir de nouvelles possibilités en matière de communication, de calcul et de détection quantiques. Les récents développements du couplage dérivé nous rapprochent des applications pratiques tout en approfondissant notre compréhension de la nature quantique du vide.

Mise en œuvre de la culture de l’intrication pour l’extraction pratique d’énergie du vide quantique

Dans des articles précédents, nous avons exploré comment le vide quantique, loin d’être un espace vide, contient une structure riche et une énergie inhérente, même dans son état fondamental. Cela peut être revu dans nos articles tels que Spacetime Engineering & Harnessing Zero-point Energy of the Quantum Vacuum et Experiment Generates Electron-Positron Plasma from the Vacuum (les deux articles sont accessibles via les liens hypertextes fournis).

Cette énergie du vide se manifeste par divers phénomènes vérifiés expérimentalement, tels que l’effet Casimir [Controlling the Quantum Vacuum for Energy Transfer and Functional Casimir Devices], la polarisation du vide [Experiment Generates Electron-Positron Plasma from the Vacuum], et de nombreux phénomènes optiques [par exemple, l’émission spontanée]. L’intrication spatiale intrinsèque des fluctuations du vide quantique, qui crée un réseau de corrélations accessibles et utilisables grâce à des protocoles soigneusement conçus, revêt une importance particulière pour les récentes percées expérimentales.

Le protocole de téléportation d’énergie quantique (QET), proposé pour la première fois par Masahiro Hotta en 2008, a fourni un cadre théorique permettant d’extraire de l’énergie de ce que nous considérons aujourd’hui comme un état de « quasi-vide » [10]. Bien que cet état partage de nombreuses propriétés avec un véritable vide, il est plus précisément décrit comme un état passif fortement local (SLP), dont l’énergie ne peut être extraite uniquement par des opérations locales, en raison de l’implication indélébile des corrélations non locales. L’état fondamental intriqué est un état passif fortement local (SL), et cette passivité SL est associée dans les systèmes à plusieurs corps à la présence d’un état fondamental intriqué, d’une manière qui évoque des phénomènes quantiques collectifs tels que les transitions de phase quantiques, la supraconductivité et l’effet Hall quantique. Il est donc particulièrement intéressant d’un point de vue technologique, car les états quantiques macroscopiques/collectifs présentent un potentiel d’applications significatives, notamment le rôle de la passivité SL dans la téléportation d’énergie quantique.

Initialisation du protocole amélioré de QET

Les protocoles de la téléportation d’énergie quantique (TQE) consistent en des opérations locales et des communications classiques. En mesurant la fluctuation locale induite par une oscillation du point zéro dans l’état fondamental d’un système quantique à plusieurs corps et en annonçant le résultat de la mesure à des points distants, l’énergie peut être efficacement téléportée sans enfreindre aucune loi physique, y compris la causalité et la conservation locale de l’énergie… Les champs quantiques dans les états de vide transportent une quantité infinie d’intrication quantique. –Hotta [11].

Le protocole QET original a démontré la possibilité d’extraire de l’énergie des corrélations du vide, mais souffrait d’une limitation importante : l’énergie extraite était perdue dans les appareils de mesure classiques, la rendant ainsi indisponible pour des applications pratiques. Le protocole amélioré, récemment démontré expérimentalement [12], surmonte cette limitation grâce à l’introduction d’un troisième qubit servant de dispositif de stockage d’énergie quantique. Cette avancée représente un progrès significatif dans la thermodynamique quantique et les techniques de récolte d’énergie.

L’ajout du troisième qubit modifie fondamentalement la dynamique du système en fournissant une solution de stockage quantique qui préserve la nature cohérente de l’énergie extraite. Cette préservation est cruciale, car elle maintient les propriétés quantiques de l’énergie extraite, permettant ainsi son utilisation ultérieure dans des opérations quantiques ou son transfert vers d’autres systèmes quantiques. La validation expérimentale de ce protocole amélioré ouvre de nouvelles possibilités pour les réseaux de distribution d’énergie quantique et pourrait potentiellement révolutionner notre approche de la récolte d’énergie à l’échelle quantique.

Bien que le protocole amélioré de téléportation d’énergie quantique n’ait probablement que des applications pratiques dans l’informatique quantique et les systèmes de communication quantique dans un avenir prévisible — où la gestion de l’énergie à l’échelle microscopique est cruciale pour maintenir la cohérence quantique et effectuer des opérations complexes — il revêt une signification plus profonde, car il constitue une preuve de principe que la densité d’énergie du vide quantique peut être exploitée, et qu’elle n’est pas thermodynamiquement morte comme on le suppose à tort. Dans ce cas, l’énergie est téléportée via les corrélations non locales de l’état du vide et stockée dans un sous-système quantique.

Vérification expérimentale du protocole QET amélioré

La validation expérimentale du protocole QET amélioré a été réalisée à l’aide de l’ordinateur quantique supraconducteur « ibm_brisbane » d’IBM. Le protocole se compose de trois étapes distinctes :

• Préparation de l’état fondamental initial à trois qubits,
• Préparation post-mesure du qubit de stockage,
• Extraction et transfert d’énergie du qubit de mesure vers le qubit de stockage.

Bien qu’il ne s’agisse que d’une expérience de pensée réalisée sur un ordinateur quantique, les chercheurs ont pu démontrer une extraction et un stockage optimaux de l’énergie dans le cadre de la simulation. Leurs résultats expérimentaux montrent une concordance remarquable avec les prédictions théoriques pour les trois étapes du protocole. Cette vérification représente une preuve de concept importante pour l’extraction et le stockage contrôlés de l’énergie à partir des corrélations du vide quantique. La prochaine étape consistera évidemment à mettre en œuvre le protocole dans un système physique réel à trois qubits pour une validation dans le monde réel.

Implications et applications futures

La mise en œuvre réussie du protocole QET amélioré ouvre de nombreuses possibilités pour les technologies quantiques. La capacité de stocker l’énergie extraite du vide au sein des systèmes quantiques pourrait permettre:

• Batteries quantiques exploitant l’énergie du vide (les batteries puisent leur énergie dans l’énergie du point zéro)
• Protocoles de communication quantique améliorés
• Calculs quantiques avancés, avec un contrôle précis de l’état multi-qubitSondes
• Expérimentales de la thermodynamique quantique

Moteurs de fluctuation du vide quantique à corps multiples

La dernière avancée que nous examinerons est une recherche remarquable qui a révélé un moyen passionnant d’exploiter l’énergie du vide quantique grâce à des moteurs de fluctuation du vide quantique à plusieurs corps. Cette approche repose sur les protocoles de téléportation d’énergie quantique (QET) et de récolte d’intrication. Ces moteurs fonctionnent en capturant la différence d’énergie entre l’état fondamental intriqué d’un système quantique en interaction et ses états locaux séparables.

Tout comme pour le QET, le principe de fonctionnement fondamental consiste à effectuer des mesures locales d’énergie sur un système à plusieurs corps en interaction, ce qui peut produire des états excités à partir desquels le travail peut être extrait par des opérations de rétroaction locales. Ces mesures révèlent les fluctuations du vide quantique présentes dans l’état fondamental global lorsqu’elles sont observées dans la base locale, fournissant ainsi l’énergie nécessaire pour faire fonctionner le moteur. Le processus de mesure « effondre » effectivement l’état quantique — le réseau d’enchevêtrement subit une brève décohérence — rompant temporairement les corrélations quantiques délicates qui caractérisent l’état fondamental.

Ce processus d’excitation induit par la mesure est particulièrement fascinant car il exploite des effets purement quantiques, en particulier l’incertitude inhérente et les corrélations non locales présentes dans les systèmes quantiques. L’énergie extraite provient des fluctuations du vide quantique elles-mêmes, et non d’un apport d’énergie externe. Il s’agit d’un paradigme fondamentalement différent de celui des moteurs thermiques classiques.

Comme le montre la figure 6, la phase de réinitialisation est simple : il suffit de coupler le système à corps multiples en interaction à un bain froid et de le laisser se détendre jusqu’à son état fondamental intriqué. Au cours de ce processus de relaxation, les corrélations quantiques sont progressivement rétablies à mesure que le système dissipe de l’énergie dans l’environnement et revient à sa configuration de plus basse énergie. Le cycle se termine, et le système est prêt pour la prochaine série de mesures et d’extraction d’énergie.

Ce concept a été démontré théoriquement pour deux types distincts de systèmes à corps multiples : des chaînes de qubits couplés et des réseaux d’oscillateurs harmoniques couplés, qui représentent fidèlement les excitations fermioniques et bosoniques, respectivement. Dans les deux cas, les résultats analytiques montrent que, pour un grand nombre de sous-systèmes couplés, la production moyenne de travail évolue linéairement ou plus rapidement et domine les fluctuations, tandis que l’efficacité approche une valeur constante.

L’efficacité est contrôlée par ce que les chercheurs appellent « l’écart d’intrication local », c’est-à-dire la différence d’énergie entre l’état fondamental du système à plusieurs corps et l’état propre de plus faible énergie de l’hamiltonien local. Dans le cas des chaînes de qubits, le travail et l’efficacité augmentent nettement aux points critiques quantiques. Pour les chaînes d’oscillateurs unidimensionnels, l’efficacité s’approche remarquablement de l’unité à mesure que le nombre d’oscillateurs couplés augmente, tout en maintenant un travail fini.

Un des principaux avantages de cette approche est que la ressource d’intrication est fournie « gratuitement » par la relaxation naturelle vers l’état fondamental, sans nécessiter des opérations complexes de portes quantiques pour la générer. Cependant, le principal défi expérimental réside dans la mise en œuvre de mesures locales suffisamment rapides et fortes pour surmonter le couplage entre les systèmes quantiques voisins.

Ce travail représente une avancée théorique significative dans le domaine de la thermodynamique quantique et ouvre la voie à de nouvelles possibilités pour extraire un travail utile des fluctuations du vide quantique, à mesure que les technologies quantiques continuent de se développer. La combinaison de hautes efficacités théoriques et de mécanismes de réinitialisation conceptuellement simples fait des moteurs de fluctuation du vide quantique à plusieurs corps une direction intrigante pour une mise en œuvre expérimentale future. De manière intéressante, le protocole amélioré de téléportation d’énergie quantique peut être directement appliqué à cette technique, de sorte que le travail extrait des fluctuations du vide quantique via la décohérence de l’intrication d’un système de qubits puisse être stocké, créant peut-être une batterie quantique qui se recharge continuellement en tirant de l’énergie du vide quantique (Dispositif de conversion d’énergie utilisant un moteur quantique avec le support de travail de l’intrication de deux atomes [14]).

Points clés

La démonstration réussie du stockage de l’énergie à partir des corrélations quantiques du vide représente une étape importante dans notre compréhension et notre utilisation de l’énergie du vide. Alors que les expériences précédentes ont montré la possibilité d’extraire cette énergie, la capacité de la stocker dans des systèmes quantiques ouvre de toutes nouvelles possibilités d’applications pratiques. Cette réalisation apporte également une preuve supplémentaire de la nature substantielle du vide quantique et de son utilité potentielle dans les technologies futures.

Le protocole QET amélioré démontre que le vide quantique n’est pas simplement une construction théorique, mais une ressource réelle et accessible pour les technologies quantiques. Alors que nous continuons à développer des méthodes plus sophistiquées pour manipuler les systèmes quantiques, les applications pratiques de l’extraction et du stockage de l’énergie du vide pourraient devenir de plus en plus importantes pour les technologies quantiques futures.

Le protocole QET amélioré n’aura probablement que des applications de niche dans un avenir prévisible, comme l’informatique quantique, la communication quantique et, éventuellement, la nanotechnologie (alimentation de nanodispositifs), car, du point de vue de l’exploitation de la densité énergétique du vide quantique, il s’agit d’« extraire » la même quantité d’énergie qui a été injectée dans le vide et d’impliquer des quantités très petites. Cependant, l’utilisation de l’intrication quantique constitue une excellente démonstration empirique que les corrélations EPR sont réelles et impliquent le vide quantique, montrant comment les fluctuations du vide sont intrinsèquement intriquées – peut-être fondamentalement via des connexions de micro-vortex (ponts d’Einstein-Rosen ou ER) dans l’espace-temps – ce qui rend le lien avec ER = ERP moins farfelu.

En outre, le moteur de fluctuation du vide quantique à corps multiples tire directement son énergie des fluctuations énergétiques de la densité du vide quantique. Ces protocoles offrent une preuve de concept directe que la densité énergétique du vide quantique peut être exploitée. Bien qu’il soit peu probable que ces méthodologies permettent une exploitation à grande échelle de l’énergie du vide quantique, elles permettent un test direct du transfert et du stockage d’énergie via l’intrication quantique, ce qui pourrait fournir des informations précieuses pour les techniques qui tireront une énergie considérable du vide quantique, comme les systèmes magnétohydrodynamiques à cohérence de spin du plasma (figure 5).

Références

[1] S. J. Summers and R. Werner, The vacuum violates Bell’s inequalities, Phys. Lett. A 110, 257 (1985).

[2] S. J. Summers and R. Werner, Bell’s inequalities and quantum field theory. II. Bell’s inequalities are maximally violated in the vacuum, J. Math. Phys. (N.Y.) 28, 2448 (1987).

[3] S. J. Summers and R. Werner, Bell’s inequalities and quantum field theory. I. General setting, J. Math. Phys. (N.Y.) 28, 2440 (1987).

[4] A. Valentini, “Non-local correlations in quantum electrodynamics,” Physics Letters A, vol. 153, no. 6, pp. 321–325, Mar. 1991, doi: 10.1016/0375-9601(91)90952-5.

[5] B. Reznik, “Entanglement from the Vacuum,” Foundations of Physics, vol. 33, no. 1, pp. 167–176, Jan. 2003, doi: 10.1023/A:1022875910744.

[6] William Brown. Unified Physics and the Entanglement Nexus of Awareness. Journal of Neuroquantology; Vol 17, No 7 (2019).

[7] G. Gregori, G. Marocco, S. Sarkar, R. Bingham, and C. Wang, “Measuring Unruh radiation from accelerated electrons,” Eur. Phys. J. C, vol. 84, no. 5, Art. no. 5, May 2024, doi: 10.1140/epjc/s10052-024-12849-9.

[8] G. V. Steeg and N. C. Menicucci, “Entangling power of an expanding universe,” Phys. Rev. D, vol. 79, no. 4, p. 044027, Feb. 2009, doi: 10.1103/PhysRevD.79.044027.

[9] A. Teixidó-Bonfill and E. Martín-Martínez, “Derivative coupling enables genuine entanglement harvesting in causal communication,” Jun. 20, 2024, arXiv: arXiv:2406.14637. doi: 10.48550/arXiv.2406.14637.]

[10] M. Hotta, “A protocol for quantum energy distribution,” Physics Letters A, vol. 372, no. 35, pp. 5671–5676, Aug. 2008, doi: 10.1016/j.physleta.2008.07.007].

[11] M. Hotta, “Controlled Hawking Process by Quantum Energy Teleportation,” Phys. Rev. D, vol. 81, no. 4, p. 044025, Feb. 2010, doi: 10.1103/PhysRevD.81.044025.

[12] S. Xie, M. Sajjan, and S. Kais, “Extracting and Storing Energy From a Quasi-Vacuum on a Quantum Computer,” Sep. 06, 2024, arXiv: arXiv:2409.03973. doi: 10.48550/arXiv.2409.03973.

[13] É. Jussiau, L. Bresque, A. Auffèves, K. W. Murch, and A. N. Jordan, “Many-body quantum vacuum fluctuation engines,” Phys. Rev. Research, vol. 5, no. 3, p. 033122, Aug. 2023, doi: 10.1103/PhysRevResearch.5.033122.

[14] J.-W. Zhang et al., “Energy-Conversion Device Using a Quantum Engine with the Work Medium of Two-Atom Entanglement,” Phys. Rev. Lett., vol. 132, no. 18, p. 180401, Apr. 2024, doi: 10.1103/PhysRevLett.132.180401.