Une représentation reconstituée d'un état quantique à partir de multiples mesures.Une image quantique est une représentation reconstituée d'un état quantique, construite à partir de nombreuses mesures individuelles. Contrairement à une photographie classique qui capture un instant précis, un état quantique ne peut pas être observé directement sans le perturber. Au lieu de cela, les chercheurs effectuent des mesures répétées sur des systèmes préparés de manière identique, chacune fournissant une information partielle, puis combinent ces informations pour déduire l'état quantique complet. Ce processus est connu sous le nom de tomographie d'état quantique.
La tomographie d'état quantique a été introduite dans les années 1970, avec des travaux théoriques pionniers d'Ulrich Fano et des formulations pratiques par d'autres dans les années 1980. Le terme « tomographie » a été emprunté à l'imagerie médicale, reflétant l'idée de reconstruire un tout à partir de nombreuses projections.
La reconstruction repose sur la mesure du système dans différentes bases (par exemple, la position, l'impulsion ou le spin selon divers axes). Chaque mesure donne une distribution de probabilité qui contraint l'état possible. En collectant suffisamment de statistiques sur des bases complémentaires, on peut résoudre la matrice densité—l'objet mathématique qui décrit complètement l'état quantique. Le résultat est une « image » qui capture à la fois les amplitudes et les phases des composantes de l'état.
Les images quantiques sont essentielles pour vérifier les ordinateurs quantiques et les protocoles de communication quantique, où l'on doit confirmer qu'un dispositif produit l'état quantique voulu.
Une image quantique de la polarisation d'un photon unique nécessite de le mesurer dans au moins trois bases différentes, mais le photon est détruit au cours du processus, de sorte que l'image est toujours une reconstruction statistique, jamais une image directe.
