De nouvelles techniques de visualisation quantique pourraient accélérer l’arrivée d’ordinateurs quantiques tolérants aux pannes
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Une étude menée par l'Université d'Oxford a mis au point une nouvelle technique performante pour identifier la prochaine génération de matériaux nécessaires à l'informatique quantique à grande échelle et tolérante aux pannes. Cette découverte pourrait mettre fin à des décennies de recherche de matériaux peu coûteux capables d'héberger des particules quantiques uniques, facilitant ainsi la production en série d'ordinateurs quantiques. Les résultats ont été publiés cette semaine dans la revue Science .
Les ordinateurs quantiques pourraient libérer une puissance de calcul sans précédent, bien supérieure à celle des supercalculateurs actuels. Cependant, leurs performances sont actuellement limitées, en raison des interactions avec l'environnement qui dégradent leurs propriétés quantiques (appelées « décohérence quantique »). Les physiciens recherchent depuis des décennies des matériaux résistants à la décohérence quantique, mais cette recherche s'est révélée expérimentalement complexe.
Dans cette nouvelle étude, des chercheurs du groupe Davis de l’Université d’Oxford ont démontré une nouvelle technique très efficace pour identifier de tels matériaux, appelés supraconducteurs topologiques.
| Il est vraiment passionnant d'observer la première signature spectroscopique de la supraconductivité topologique intrinsèque. Cette découverte scientifique majeure n'est possible que grâce à notre nouvelle technique spectroscopique. Auteur principal Dr Shuqiu Wang (Université d'Oxford et Université de Bristol) |
Un supraconducteur topologique est une forme inédite de matière quantique pouvant héberger des particules quantiques exotiques appelées fermions de Majorana. En théorie, ces particules peuvent stocker l'information au sein de leur forme et de leur structure (topologie), au lieu de le faire habituellement au sein de leur état.
Cela signifie que l'information est plus stable et insensible aux perturbations locales telles que le désordre et le bruit. Par conséquent, elles peuvent stocker l'information quantique de manière permanente, sans que celle-ci soit dégradée par les effets de décohérence quantique qui limitent les ordinateurs quantiques actuels.
Jusqu'à présent, aucune technique efficace ne permettait de déterminer avec certitude si un matériau supraconducteur donné pouvait servir de plateforme pour l'informatique quantique topologique avancée. Dans cette nouvelle étude, les chercheurs d'Oxford ont vérifié que le ditellurure d'uranium (UTe₂), un supraconducteur connu , est un supraconducteur topologique intrinsèque.
Depuis sa découverte en 2019, UTe 2 était considéré comme le principal matériau candidat à la supraconductivité topologique intrinsèque. On pensait que les paires d'électrons dans UTe 2 étaient très inhabituelles, leurs spins étant alignés, condition nécessaire à la supraconductivité topologique intrinsèque et donc à des états de surface supraconducteurs topologiquement protégés. Cependant, aucune recherche n'avait démontré de manière définitive ces phénomènes dans UTe 2 – jusqu'à présent.
Les chercheurs ont utilisé un microscope à effet tunnel (STM), qui utilise une sonde supraconductrice à ultra-haute précision atomique pour obtenir des images à ultra-haute résolution à l'échelle atomique, sans recours à des faisceaux lumineux ou électroniques. Les expériences ont utilisé un mode opératoire entièrement nouveau inventé par le professeur Séamus Davis (baptisé technique STM Andreev).
Cette méthode est spécifiquement adaptée uniquement aux électrons dans un état quantique spécial (état de surface topologique) qui devrait couvrir la surface des supraconducteurs topologiques intrinsèques.
Joseph P. Carroll supervise les opérations sur l'un des microscopes à effet tunnel Andreev (STM) du groupe Davis. Crédit photo : Catherine Dawson, groupe Davis.
Une fois mise en œuvre, la méthode a fonctionné exactement comme la théorie le suggérait, permettant aux chercheurs non seulement de détecter l'état de surface topologique mais également d'identifier la supraconductivité topologique intrinsèque du matériau.
Les résultats indiquent que l'UTe 2 est bien un supraconducteur topologique intrinsèque, mais pas exactement celui recherché par les physiciens. Bien que, d'après les phénomènes observés, on suppose la présence de particules quantiques de Majorana dans ce matériau, celles-ci se présentent par paires et ne peuvent être séparées.
Cependant, la technique expérimentale STM d'Andreev utilisée constitue une avancée majeure en soi. Cette nouvelle technique permet désormais aux physiciens de déterminer avec précision et directement si d'autres matériaux possèdent une supraconductivité topologique intrinsèque, offrant ainsi des plateformes prometteuses pour l'informatique quantique topologique.
| "L'invention de la technique STM d'Andreev, la détection de l'état de surface topologique supraconducteur, l'identification de la supraconductivité topologique intrinsèque et la catégorisation précise de cette dernière sont autant d'innovations en physique. Combinées, elles peuvent accélérer considérablement notre capacité à identifier les matériaux adéquats pour permettre la révolution qu'apportera l'informatique quantique." Professeur Séamus Davis (Département de physique, Université d'Oxford) |
La découverte de matériaux supraconducteurs topologiques intrinsèques reste un défi majeur et relève encore largement du concept théorique. Pourtant, ce domaine progresse rapidement. Des chercheurs du monde entier étudient activement les candidats potentiels et la technologie nécessaire pour exploiter leurs propriétés. Plus tôt cette année, Microsoft a annoncé le Majorana 1, « première unité de traitement quantique au monde alimentée par un cœur topologique », censée héberger des qubits topologiques. Microsoft a réalisé ce dispositif en créant un supraconducteur topologique synthétique basé sur des structures élaborées à partir de supraconducteurs conventionnels.
Cependant, les nouveaux travaux du groupe Davis signifient que les scientifiques peuvent désormais identifier des matériaux cristallins simples pour remplacer ces circuits artificiels complexes et extrêmement coûteux, conduisant potentiellement à des qubits topologiques économiques pour la prochaine génération d'informatique quantique.
Le professeur Séamus Davis (Département de physique, Université d'Oxford) a déclaré : « L'invention de la technique STM d'Andreev, la détection de l'état de surface topologique supraconducteur, l'identification de la supraconductivité topologique intrinsèque et la catégorisation précise de cette dernière sont autant d'innovations en physique. Ensemble, ces avancées peuvent accélérer considérablement notre capacité à identifier les matériaux adéquats pour permettre la révolution qu'apportera l'informatique quantique. »
L'auteur principal, le Dr Shuqiu Wang (alors membre du groupe Davis à Oxford, aujourd'hui professeur adjoint à l'Université de Bristol), a déclaré : « C'est vraiment passionnant de découvrir la première signature spectroscopique de la supraconductivité topologique intrinsèque. Cette découverte scientifique majeure n'est possible que grâce à notre nouvelle technique spectroscopique. J'ai hâte de découvrir d'autres supraconducteurs topologiques intrinsèques et leur physique fascinante et exotique, encore inexplorée grâce à la technique STM d'Andreev ! »
L'étude « Pair wave function symmetry in UTe2 from zero-energy surface-state visualization » a été publiée dans Science .
L’étude a également impliqué des chercheurs de l’Université de Californie à Berkeley et du Lawrence Berkeley National Laboratory, de l’Université Cornell, de l’Université de Bristol, de l’Université du Maryland, de l’Université de Washington, de l’University College Cork et de l’Université de Notre Dame.