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    Les scientifiques font progresser la compréhension des bits quantiques topologiques potentiels

    Le nanofil est suspendu entre deux conducteurs métalliques (violet). Le supraconducteur en aluminium (bleu) en recouvre une partie, laissant un espace de fil intérieur exposé en indium et en arsenic (orange). Dans la configuration avec la petite jonction, les scientifiques s'attendaient à voir les "demi-électrons" séparés dans le supraconducteur exposé - illustrés par des portraits d'Ettore Majorana, les physiciens italiens pour lesquels ils ont été nommés. Mais ils n'ont rien trouvé. Dans la configuration avec la grande jonction, le noyau exposé du fil a formé un point quantique et ses électrons ont interagi avec les électrons du revêtement supraconducteur formant le signal d'imitation. Crédit :IST Autriche

    Les ordinateurs quantiques promettent de grandes avancées dans de nombreux domaines, de la cryptographie à la simulation du repliement des protéines. Encore, quel système physique fonctionne le mieux pour construire les bits quantiques sous-jacents est toujours une question ouverte. Contrairement aux bits ordinaires de votre ordinateur, ces qubits ne peuvent pas seulement prendre les valeurs 0 et 1, mais aussi des mélanges des deux. Bien que cela les rende potentiellement très utiles, ils deviennent également très instables.

    Une approche pour résoudre ce problème mise sur des qubits topologiques qui codent les informations dans leur disposition spatiale. Cela pourrait fournir une base de calcul plus stable et plus résistante aux erreurs que d'autres configurations. Le problème est que personne n'a encore trouvé de qubit topologique.

    Une équipe internationale de chercheurs autrichiens, Copenhague, et Madrid autour de Marco Valentini du groupe Nanoélectronique à IST Austria ont maintenant examiné une configuration qui devait produire les modes zéro de Majorana, l'ingrédient de base d'un qubit topologique. Ils ont découvert qu'un signal valide pour de tels modes peut en fait être un faux drapeau.

    La moitié d'un électron

    Le dispositif expérimental est composé d'un petit fil de quelques centaines de nanomètres - quelques millionièmes de millimètre - de long, développé par Peter Krogstrup de Microsoft Quantum et de l'Université de Copenhague. Ces nanofils appelés de manière appropriée forment une connexion flottante entre deux conducteurs métalliques sur une puce. Ils sont revêtus d'un matériau supraconducteur qui perd toute résistance électrique à très basse température. Le revêtement va jusqu'à une infime partie laissée à une extrémité du fil, qui constitue une partie cruciale de l'installation :la jonction. L'ensemble de l'engin est alors exposé à un champ magnétique.

    Carte de circuit imprimé pour le montage de l'échantillon de nanofil. Crédit :IST Autriche

    Les théories des scientifiques prédisaient que les modes zéro de Majorana - la base du qubit topologique qu'ils recherchaient - devraient apparaître dans le nanofil. Ces modes zéro de Majorana sont un phénomène étrange, parce qu'ils ont commencé comme une astuce mathématique pour décrire un électron dans le fil comme composé de deux moitiés. D'habitude, les physiciens ne considèrent pas les électrons comme quelque chose qui peut être divisé, mais en utilisant cette configuration de nanofils, il aurait dû être possible de séparer ces "demi-électrons" et de les utiliser comme qubits.

    "Nous étions ravis de travailler sur cette plateforme matérielle très prometteuse, " explique Marco Valentini, qui a rejoint IST Autriche en tant que stagiaire avant de devenir doctorant. étudiant dans le groupe Nanoélectronique. "Ce que nous nous attendions à voir, c'était le signal des modes zéro de Majorana dans le nanofil, mais nous n'avons rien trouvé. D'abord, nous étions confus, puis frustré. Finalement, et en étroite collaboration avec nos collègues du groupe Théorie des matériaux quantiques et Technologies quantiques à l'état solide de Madrid, nous avons examiné la configuration, et j'ai découvert ce qui n'allait pas."

    Un faux drapeau

    Après avoir tenté de trouver les signatures des modes zéro de Majorana, les chercheurs ont commencé à faire varier la configuration du nanofil pour vérifier si des effets de son architecture perturbaient leur expérience. "Nous avons fait plusieurs expériences sur différentes configurations pour découvrir ce qui n'allait pas, " explique Valentini. " Ça nous a pris du temps, mais lorsque nous avons doublé la longueur de la jonction non revêtue de cent nanomètres à deux cents, nous avons trouvé notre coupable."

    Marco Valentini travaillant dans le laboratoire. Crédit :IST Autriche

    Lorsque la jonction était suffisamment grande, il s'est produit ce qui suit :le nanofil intérieur exposé a formé ce qu'on appelle un point quantique, un minuscule grain de matière qui présente des propriétés mécaniques quantiques spéciales en raison de sa géométrie confinée. Les électrons de cette boîte quantique pourraient alors interagir avec ceux du supraconducteur situé à côté, et par cela imiter le signal des "demi-électrons" - les modes zéro de Majorana - que les scientifiques recherchaient.

    "Cette conclusion inattendue est venue après que nous ayons établi le modèle théorique de la façon dont la boîte quantique interagit avec le supraconducteur dans un champ magnétique et comparé les données expérimentales avec des simulations détaillées réalisées par Fernando Peñaranda, un doctorat étudiant dans l'équipe de Madrid, " dit Valentini.

    "Confondre ce signal d'imitation avec un mode zéro de Majorana nous montre à quel point nous devons être prudents dans nos expériences et dans nos conclusions, " Valentini met en garde. " Bien que cela puisse sembler être un pas en arrière dans la recherche des modes zéro Majorana, il s'agit en fait d'une avancée cruciale dans la compréhension des nanofils et de leurs signaux expérimentaux. Cette découverte montre que le cycle de découverte et d'examen critique entre pairs internationaux est essentiel à l'avancement des connaissances scientifiques. »


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