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Retour Postdoctorants (PDOC)
Edition 2013


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Les Fondements de la Théorie Quantique éclairés par l'Information Quantique

Les Fondements de la Théorie Quantique éclairés par l'Information Quantique
Le projet scientifique se concentre sur l’étude des fondements de la mécanique quantique, et en particulier du principe d’incertitude, en utilisant les nouveaux outils développés dans le contexte de l'information quantique. Avec cela, le projet vise à développer et promouvoir une nouvelle activité de recherche dans le domaine des fondements de la mécanique quantique à l’Institut Néel.

Principe d'incertitude, non-localité quantique, statut de la fonction d’onde et causalité quantique
Concernant le principe d’incertitude, les objectifs du projet se regroupent en deux directions principales. Il s’agira tout d’abord d’établir de nouvelles relations d’incertitude—et notamment des relations entropiques visant à quantifier l’information gagnée ou perdue due à la perturbation d’une mesure quantique—et d’en étudier de possibles applications en information quantique. Dans la seconde direction, il s’agira d’étudier ce que le principe d’incertitude peut nous enseigner sur les fondements de la mécanique quantique, en particulier au travers de l’étude de celui-ci dans des théories plus générales que la théorie quantique.

Au-delà du principe d’incertitude, le projet vise à explorer d’autres directions concernant les fondements de la mécanique quantique :

- Non-localité quantique : caractériser les corrélations non-locales dans des réseaux quantiques ;

- Statut de la fonction d’onde : étudier dans quelle mesure les points de vue ontique (selon lequel la fonction d'onde représente une réalité physique) et épistémique (selon lequel la fonction d'onde représente un état de connaissance) sont tenables, et proposer des tests concrets pour cela ;

- Causalité quantique : étudier les types de relations causales possibles dans le monde quantique, et notamment les «superpositions d'ordres causaux«.

L'Information Quantique pour l'étude des fondements de la mécanique quantique
Les méthodes utilisées seront principalement inspirées des nouveaux outils développés dans les domaines de l'information quantique et des fondements de la mécanique quantique. Notamment :

- pour les relations d'incertitude, nous chercherons à utiliser des quantités entropiques de l'information quantique pour quantifier l’information gagnée ou perdue due à la perturbation d’une mesure quantique ;

- pour l'étude de la nonlocalité dans les réseaux quantiques, nous nous baserons sur le concept de «bilocalité« (ou plus généralement «N-localité«) des corrélations que nous avons récemment introduite, ainsi que sur l'étude bien établie des modèles causaux ;

- pour l'étude du statut de la fonction d'onde, nous utiliserons notamment le cadre récemment formalisé des modèles ontologiques

- pour l'étude des relations causales, nous nous baserons notamment sur le formalisme des process matrices développé récemment.

Résultats

- Relations d'incertitude :
Nous avons obtenu de nouvelles relations d'incertitude pour qubits, qui sont optimales et indépendantes de l'état physique, et qui peuvent être exprimées aussi bien en termes de déviations standard ou d'entropies [A. Abbott et al., arXiv:1512.02383].

- Non-localité quantique :
en collaboration avec l’équipe de Nicolas Gisin à Genève (Suisse), nous avons pu montrer comment construire de manière récursive des inégalités de Bell pour caractériser la nonlocalité dans des réseaux quantiques. Nos résultats ont été publiés dans [D. Rosset et al, PRL 2016]

- Statut de la fonction d’onde :
j’ai pu montrer comment élaborer un nouveau test expérimental visant à clarifier le statut de la fonction d’onde et démontrer les limites du point de vue épistémique, selon lequel la fonction d’onde ne représenterait qu’un état de connaissance sur un système physique [C. Branciard, PRL 2014].
Cela a pu être testé expérimentalement, en collaboration avec le groupe d’Andrew White à l’Université du Queensland (Australie). Nos résultats ont été publiés dans Nature Physics [M. Ringbauer et al., Nat. Phys. 2015].


- Causalité quantique :
En collaboration avec les Universités de Vienne (Autriche) et du Queensland (Australie), nous avons développé le concept de «témoins de non-séparabilité causale« afin de mettre en évidence l'incompatibilité de certains processus quantiques avec un ordre causal bien défini [M. Araújo et al., NJP 2015]. Nous avons également montré comment caractériser de manière géométrique l'ensemble des corrélations «causale«, compatibles avec un ordre causal bien défini, et ainsi dériver de nouvelles «inégalités causales« [C. Branciard, NJP 2016].

Perspectives

- Continuer à dériver de nouvelles relations d'incertitude pour mesures jointes, en proposant des tests expérimentaux;
explorer le principe d'incertitude dans des théories plus générales que la mécanique quantique.

- Généraliser l'étude des corrélations nonlocales dans des réseaux quantiques.

- Améliorer les tests sur le statut de la fonction d'onde.

- Explorer davantage la possibilité de nouvelles relations causales en mécanique quantique (notamment des superpositions d'ordres causaux).

Productions scientifiques et brevets

- C. Branciard,
«How psi-Epistemic Models Fail at Explaining the Indistinguishability of Quantum States«,
Physical Review Letters 113, 020409 (2014).

- M. Ringbauer, B. Duffus, C. Branciard, E. G. Cavalcanti, A. G. White, and A. Fedrizzi,
«Measurements on the reality of the wave function«,
Nature Physics 11, 249 (2015).

- M. Araújo, C. Branciard, F. Costa, A. Feix, C. Giarmatzi, and C. Brukner,
«Witnessing causal nonseparability«,
New Journal of Physics 17, 102001 (2015) (Fast Track Communication).

- C. Branciard, M. Araújo, A. Feix, F. Costa, and C. Brukner,
«The simplest causal inequalities and their violation«,
New Journal of Physics 18, 013008 (2016).

- D. Rosset, C. Branciard, T. J. Barnea, G. Pütz, N. Brunner, and N. Gisin,
«Nonlinear Bell inequalities tailored for quantum networks«,
Physical Review Letters 116, 010403 (2016).

- A. A. Abbott, P.-L. Alzieu, M. J. W. Hall, and C. Branciard,
«Tight state-independent uncertainty relations for qubits«,
arXiv:1512.02383 (quant-ph).

Partenaires

I NEEL Institut Néel CNRS

Aide de l'ANR 327 000 euros
Début et durée du projet scientifique janvier 2014 - 42 mois

Résumé de soumission

La théorie quantique est certainement l’une des théories qui a connu le plus de succès, et jusqu’à présent aucune expérience n’a été en mesure de la mettre en défaut. Cependant, ses fondements ne sont toujours pas clairement compris à ce jour; après un siècle de recherches, les raisons pour lesquelles le monde est régi par les règles si déroutantes de la physique quantique restent une énigme.

Or, des progrès majeurs sur la compréhension des fondements de la théorie quantique ont été récemment rendus possibles grâce à l’émergence de l’information quantique. En révolutionnant la façon dont nous percevons et manipulons l’information, ce domaine de recherche jeune et dynamique a déjà mené à de nombreux résultats significatifs débouchant sur des applications et des avancées technologiques à fort impact sur notre société. Il a également un grand potentiel pour mener à encore plus de découvertes.

Ce projet vise à exploiter au mieux ce potentiel. Plus spécifiquement, nous allons revisiter l’un des concepts les plus fondamentaux de la théorie quantique, à savoir le principe d’incertitude d’Heisenberg, à l’aide d’une approche innovante et de techniques nouvellement issues du domaine de l’information quantique. Une des implications du principe d’incertitude est le concept de complémentarité, selon lequel certaines propriétés d’un système quantique—comme par exemple la position et la vitesse d’une particule—sont incompatibles et ne peuvent pas être mesurées simultanément. Il reste cependant possible d’approximer une mesure conjointe des deux grandeurs et de gagner ainsi une information partielle sur chacune d’elles. Nous allons précisément quantifier le compromis optimal d’information qu’il est possible d’obtenir sur chaque propriété incompatible. Bien que ceci puisse paraître une façon très naturelle de présenter le principe d’incertitude et le concept de complémentarité, de tels compromis d’information n’ont encore jamais été correctement analysés.

La détermination de la quantité d’information qu’il est possible d’obtenir à partir d’une mesure va nous permettre de reconsidérer les limites fondamentales imposées par la théorie quantique, et apportera une lumière nouvelle sur ses fondements. Pour gagner encore plus en compréhension, nous allons déterminer à quel point la théorie quantique peut être reconstruite à partir de ses seules propriétés de complémentarité, considérées comme un axiome fondamental, et le cas échéant quels autres axiomes sont nécessaires à la reconstruction complète de la théorie. Cette étude nous fournira des pistes pour comprendre pourquoi la nature a choisi d’obéir à la théorie quantique plutôt qu’à toute autre théorie, et proposera une approche originale de la quête du Saint Graal des fondements de la mécanique quantique, à savoir la dérivation de la théorie quantique à partir d’axiomes plus physiques que ses axiomes ad hoc standards.

Au-delà de ce programme de recherche concentré sur la question de la complémentarité en physique quantique, nous avons l’objectif plus large de lancer une nouvelle activité de recherche au sein de l’Institut Néel, et d’y établir les fondements de la théorie quantique en tant que domaine de recherche à part entière. L’institut regroupe plusieurs équipes expérimentales de classe internationale déjà rompues aux expériences dans le domaine de l’information quantique, dont les compétences pourraient directement s’appliquer et bénéficier au domaine des fondements. Ce projet vise à créer un « think tank » pour stimuler l’émergence d’idées nouvelles et mettre en place une synergie fructueuse entre notre expertise dans les fondements de la théorie quantique et les capacités expérimentales déjà présentes à l’institut Néel. Cela va conduire à la réalisation de passionnantes expériences de pensée à fort enjeu, qui vont remettre en question les interprétations de la physique quantique ainsi que notre compréhension du monde qui nous entoure.

 

Programme ANR : Retour Postdoctorants (PDOC) 2013

Référence projet : ANR-13-PDOC-0026

Coordinateur du projet :
Monsieur Cyril BRANCIARD (Institut Néel CNRS )

Site internet du projet : http://neel.cnrs.fr/spip.php?article3993&lang=en

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.