A unified framework for data-driven Bell inequalities
Cet article introduit un cadre unifié et indépendant de la dimension pour les inégalités de Bell fondées sur les données, qui permet la découverte d'inégalités optimales à travers des systèmes discrets, continus et hybrides, révélant de nouveaux états non locaux ainsi que le premier exemple en variables continues qui ne peut être mis en correspondance avec des inégalités binaires.
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Dans le monde quantique, les particules peuvent être liées de manières qui semblent défier la logique de notre expérience quotidienne. Ce phénomène, connu sous le nom de non-localité, suggère que deux objets peuvent rester connectés à travers de vastes distances, une mesure sur l'un influençant instantanément l'autre, quel que soit l'espace qui les sépare. Pendant des décennies, les scientifiques ont testé cette idée en utilisant des systèmes où les particules ont un nombre limité d'états possibles, comme une pièce de monnaie qui ne peut être que pile ou face. Cependant, l'énigme originale qui a déclenché ce champ de recherche concernait des propriétés qui existent sur une échelle lisse et continue, telles que la position ou la quantité de mouvement d'une particule, qui peut prendre n'importe quelle valeur le long d'une ligne infinie. Bien que les fondements théoriques aient été posés pour ces systèmes continus, prouver qu'ils exhibent réellement ce étrange comportement de non-localité en laboratoire est resté un défi tenace. La plupart des tentatives pour les tester ont consisté à forcer les données continues dans un format binaire « oui ou non », écrasant essentiellement une courbe lisse en quelques points nets pour qu'elle s'adapte aux tests existants. Cette approche, bien qu'utile, pourrait avoir occulté la véritable nature de la connexion.
Une équipe de chercheurs a maintenant développé un nouveau cadre flexible qui permet de sonder la non-localité sans forcer les données dans une forme prédéfinie. Au lieu de partir d'un test spécifique et d'essayer de faire correspondre les résultats à celui-ci, ils partent des données expérimentales brutes elles-mêmes. Imaginez un scientifique collectant une quantité massive de mesures d'une expérience quantique, où les résultats sont enregistrés sous la forme d'un flux continu de nombres. Les chercheurs prennent ces données et les injectent dans un programme informatique sophistiqué conçu pour trouver le meilleur test possible pour cet ensemble spécifique de nombres. Le programme travaille en affinant progressivement sa manière d'examiner les données, en commençant par des catégories larges, puis en découpant les données en morceaux de plus en plus fins. À chaque étape, il recherche une règle mathématique qui prouve que les données ne peuvent pas être expliquées par une cause locale et classique. Si une telle règle est trouvée, elle révèle la présence de non-localité et, de manière cruciale, indique aux scientifiques à quoi ressemble exactement cette règle. Cette méthode est agnostique vis-à-vis du type de système étudié, ce qui signifie qu'elle fonctionne tout aussi bien pour des systèmes à états discrets, à variables continues, ou un mélange des deux.
Lorsque l'équipe a appliqué cette méthode aux systèmes continus, elle a découvert quelque chose de surprenant. Malgré le fait que les données proviennent d'un monde lisse et continu, les tests les plus efficaces qu'ils ont trouvés étaient intrinsèquement discrets. Les règles optimales pour détecter la non-localité dans ces systèmes se sont avérées être des fonctions simples, de type échelon, qui regroupaient les données continues en compartiments distincts, un peu comme le tri d'un tas de billes dans des bocaux séparés. Cette découverte suggère que la non-localité présente dans ces systèmes continus n'est pas un type de connexion fondamentalement nouveau, mais plutôt une connexion qui peut être pleinement capturée par la même logique discrète utilisée dans les systèmes plus simples. Les chercheurs ont également constaté qu'ils ne pouvaient trouver aucun exemple de système continu nécessitant une règle complexe et lisse pour prouver sa non-localité ; chaque test réussi qu'ils ont découvert pouvait être ramené à une inégalité discrète plus simple. Cela remet en question l'espoir de longue date selon lequel les systèmes continus pourraient offrir une forme de non-localité unique que les systèmes discrets ne peuvent pas reproduire.
L'étude a également identifié des états quantiques suffisamment robustes pour montrer ce comportement de non-localité même lorsqu'ils ne sont pas parfaits. En utilisant une technique appelée codage bosonique, qui projette l'information quantique sur les vibrations de la lumière, l'équipe a simulé des états enchevêtrés qui pourraient être détectés à l'aide de détecteurs homodynes standards, un outil courant dans les laboratoires optiques. Ils ont découvert que même des états présentant des imperfections significatives, ou du « bruit », affichaient une forte non-localité. Par exemple, ils ont identifié un état à deux modes dont la connexion entre les particules était si forte qu'elle ne pouvait être décrite par les tests binaires standards utilisés pendant des décennies. Au lieu de cela, les données nécessitaient un test conçu pour des systèmes à trois niveaux, une version plus complexe du scénario habituel du pile ou face. De plus, ils ont montré qu'en combinant un système discret, comme un qubit, avec un système continu, ils pouvaient créer des états hybrides qui présentent une non-localité significative avec des préparations relativement simples. Ces états hybrides sont à la portée de la technologie expérimentale actuelle, ce qui suggère que la prochaine génération d'expériences quantiques pourrait démontrer ces effets sans avoir besoin des conditions idéales et ultra-précises que l'on pensait auparavant nécessaires.
Les implications de ce travail vont au-delà de la simple recherche de nouveaux exemples de non-localité. En fournissant un outil qui génère automatiquement le meilleur test pour n'importe quel ensemble de données expérimentales, les chercheurs ont offert une méthode universelle pour certifier le comportement quantique. Ceci est particulièrement important pour le développement des technologies quantiques, où prouver qu'un dispositif est véritablement quantique est essentiel pour la sécurité et la fiabilité. Le cadre permet aux scientifiques de prendre les données réelles et désordonnées d'une expérience et de déterminer avec une grande confiance si elles contiennent des corrélations non-locales, et exactement à quel point ces corrélations sont fortes. Bien que la recherche de ces états ait été difficile, nécessitant une vaste exploration des possibilités, le succès de l'équipe dans la découverte d'exemples robustes grâce aux codes bosoniques suggère que la clé pour déverrouiller la non-localité dans les systèmes continus réside peut-être dans la manière dont l'information est encodée, plutôt que dans la complexité brute du système lui-même. Le travail laisse ouverte la question de savoir si une forme de non-localité véritablement continue existe, mais il suggère fortement que, si tel est le cas, elle se cache dans un endroit que les méthodes actuelles n'ont pas encore été capables d'atteindre.
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