Certifying Nonlocal Spin Quantum Entanglement from Local Tunneling Spectra
Cet article démontre que des spectres de tunnel locaux peuvent certifier l'intrication de spin non locale sans contrôle cohérent ni étalonnage absolu en utilisant une règle de somme de spin exacte et la conservation du spin total pour dériver une borne inférieure sur un témoin d'intrication collectif à partir des poids de basculement de spin inélastiques.
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L'intrication quantique est l'une des caractéristiques les plus profondes du monde microscopique, un phénomène où deux particules deviennent si profondément liées que l'état de l'une influence instantanément l'autre, quelle que soit la distance qui les sépare. Cette connexion n'est pas seulement une curiosité théorique ; c'est la ressource fondamentale qui alimentera les technologies futures telles que les ordinateurs quantiques et les communications ultra-sécurisées. Cependant, prouver que deux particules spécifiques dans un matériau solide sont réellement intriquées est notoirement difficile. Dans un matériau complexe, les atomes sont entourés d'une mer d'autres électrons et de vibrations, ce qui rend difficile la distinction entre deux spins choisis qui se parleraient réellement ou qui ne feraient que réagir au même environnement bruyant. Traditionnellement, les scientifiques se sont appuyés sur des techniques nécessitant un contrôle cohérent et précis des particules, impliquant souvent des impulsions d'énergie complexes pour les forcer dans des états spécifiques. Sans un tel contrôle, les mesures locales habituellement effectuées en laboratoire semblaient insuffisantes pour certifier une connexion non locale, car les données paraissaient contenir trop de variables inconnues et de pièces d'information manquantes.
Une équipe de chercheurs a désormais démontré que cette limitation apparente peut être surmontée en utilisant uniquement des mesures d'équilibre standard. Ils ont montré qu'il est possible de certifier l'intrication de spin entre deux atomes en analysant les spectres de tunnel locaux de chaque atome individuellement, sans avoir besoin de manipuler les spins avec des champs externes ou de calibrer l'intensité absolue des signaux. L'idée clé est que les lois de la physique imposent des contraintes strictes sur la manière dont ces spins peuvent se comporter. Plus précisément, un spin possède un « poids de fluctuation » total fixe, un concept qui décrit à quel point le spin peut osciller ou changer de direction. Lorsque les chercheurs ont mesuré la conductance électrique à travers une paire d'atomes couplés, ils ont constaté que la partie à haute énergie du signal fournissait un point de référence intégré. Cette référence leur a permis de normaliser les données en interne, annulant efficacement les facteurs inconnus qui parasitent habituellement de telles mesures. En comparant la force du signal d'inversion de spin inélastique par rapport à ce poids total fixe, ils ont pu calculer une borne inférieure pour une quantité connue sous le nom d'information de Fisher quantique, qui sert de mesure directe de l'intrication.
Les chercheurs ont ensuite appliqué une loi de conservation pour relier les deux mesures séparées. Comme le spin total de la paire est conservé, les fluctuations d'un atome sont mathématiquement liées aux fluctuations de l'autre. En combinant les limites locales dérivées du spectre individuel de chaque atome, ils ont pu construire une borne inférieure rigoureuse pour l'intrication collective de la paire. Cette méthode tient également compte du fait que les atomes sont couplés à un substrat métallique, qui peut parfois imiter l'intrication en agissant comme un environnement partagé. L'équipe a développé un moyen de mesurer la quantité de spin total qui « fuit » dans ce substrat en observant la largeur des sauts d'énergie dans le spectre. Ce paramètre de fuite a permis de distinguer trois scénarios distincts : un état produit simple où les atomes sont indépendants, un état où chaque atome est intriqué avec son propre environnement privé, et le véritable état où les deux atomes sont intriqués l'un avec l'autre.
L'étude établit une hiérarchie claire de seuils pour identifier ces états. Si la valeur collective calculée dépasse une limite spécifique, cela prouve que les atomes ne sont pas simplement indépendants. Si elle dépasse une limite plus élevée, cela exclut la possibilité qu'ils soient simplement corrélés par leur environnement. Enfin, franchir le seuil le plus élevé certifie que les deux spins eux-mêmes sont véritablement intriqués, un état essentiel pour les utiliser comme qubits en informatique quantique. Les chercheurs ont testé leur méthode de manière approfondie avec des simulations incluant un bruit expérimental réaliste et un élargissement instrumental. Ils ont constaté que même avec une petite quantité de bruit, le certificat restait vrai avec un niveau de confiance très élevé, identifiant avec succès les états intriqués dans une large gamme de conditions. Ce travail offre une voie pratique pour extraire l'information quantique non locale de la spectroscopie d'équilibre standard, ce qui signifie que les scientifiques peuvent désormais vérifier la présence d'intrication dans des clusters de spins d'ingénierie en utilisant des microscopes à effet tunnel à balayage standards, sans avoir besoin de protocoles de contrôle cohérent complexes.
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