La préparation et la protection d’états d’un oscillateur harmonique par rétroaction quantique

Dans la septième et dernière leçon, nous avons décrit le principe d’une expérience visant à préparer et protéger de la décohérence un état non classique d’un oscillateur harmonique, en utilisant une méthode de rétroaction quantique (quantum feedback). Le contrôle des systèmes physiques dans notre vie quotidienne repose en général sur des méthodes de rétroaction classiques. La température d’un bâtiment, la vitesse d’un véhicule, l’altitude d’un avion sont mesurées par des sondes dont les données sont envoyées à des ordinateurs qui évaluent la correction à apporter pour ramener les quantités contrôlées à leur valeur optimale. Étendre ce principe au monde microscopique est essentiel pour le traitement quantique de l’information qui utilise comme briques élémentaires des atomes réels ou artificiels et des photons. La difficulté fondamentale de la rétroaction quantique est due au fait que la mesure du système, en elle même, perturbe le système contrôlé d’une façon aléatoire. L’expérience, proposée dans un travail réalisé en collaboration entre le groupe d’électrodynamique quantique en cavité de l’ENS et l’équipe de Pierre Rouchon à l’École des mines, consiste à préparer et protéger des états de Fock « cibles » déterminés dans une cavité. La procédure implique des boucles d’opérations contrôlées par ordinateur. À chaque pas, un atome de Rydberg effectue une mesure POVM non destructive (QND) du champ et l’ordinateur détermine l’état du champ conditionné au résultat de la mesure, ainsi que le recouvrement entre cet état et l’état cible. En fonction de cette information, l’ordinateur calcule l’amplitude du champ à ajouter dans la cavité pour maximiser ce recouvrement et commande l’injection de ce champ. Après quelques dizaines d’itérations, le champ doit converger vers l’état cible. Une fois cet état atteint, la poursuite de la procédure doit permettre de détecter les sauts quantiques du champ et corriger leurs effets, protégeant ainsi l’état de Fock contre la décohérence. Nous avons commencé par rappeler comment s’effectue la mesure QND du nombre de photons, puis nous avons analysé la procédure de cet asservissement quantique et avons présenté des simulations numériques. Au moment de la leçon, l’expérience était en préparation dans le groupe de recherche associé à la chaire de physique quantique, au laboratoire Kastler-Brossel de l’ENS. Les premiers résultats ont été obtenus quelques jours après la fin du cours.