Des chercheurs de l'Université de Pennsylvanie, en collaboration avec l'Université Johns Hopkins et le Goucher College, ont découvert un nouveau matériau topologique qui pourrait permettre l'informatique quantique tolérante aux pannes. C'est une forme d'informatique qui exploite la puissance des atomes et des phénomènes subatomiques pour effectuer des calculs beaucoup plus rapidement que les ordinateurs actuels et pourrait potentiellement conduire à des avancées dans le développement de médicaments et d'autres systèmes complexes.

La recherche, Publié dans ACS Nano , était dirigé par Jerome Mlack, chercheur postdoctoral au Département de physique et d'astronomie de la Penn's School of Arts &Sciences, et ses mentors Nina Markovic, aujourd'hui professeur associé à Goucher, et Marija Drndic, Fay R. et Eugene L. Langberg Professeur de physique à Penn. Gopinath Danda et Sarah Friedensen, étudiants diplômés de Penn, qui a reçu une bourse NSF pour ce travail, et Natalia Drichko, professeure agrégée de recherche Johns Hopkins et le postdoctorant Atikur Rahman, maintenant professeur adjoint à l'Indian Institute of Science Education and Research, Pune, également contribué à l'étude.

La recherche a commencé alors que Mlack était titulaire d'un doctorat. candidat à Johns Hopkins. Lui et d'autres chercheurs travaillaient à la croissance et à la fabrication de dispositifs à partir d'isolants topologiques, un type de matériau qui ne conduit pas le courant à travers la masse du matériau mais peut transporter du courant le long de sa surface.

Pendant que les chercheurs travaillaient avec ces matériaux, un de leurs appareils a explosé, similaire à ce qui se produirait avec un court-circuit.

"Ça a un peu fondu, "Mlack a dit, "Et ce que nous avons trouvé, c'est que, si l'on mesurait la résistance de cette région fondue d'un de ces appareils, il est devenu supraconducteur. Puis, quand nous sommes retournés et avons regardé ce qui était arrivé au matériel et avons essayé de découvrir quels éléments s'y trouvaient, nous n'avons vu que du séléniure de bismuth et du palladium."

Lorsque les matériaux supraconducteurs sont refroidis, ils peuvent transporter un courant avec une résistance électrique nulle sans perdre d'énergie.

On a prédit que les isolants topologiques dotés de propriétés supraconductrices auraient un grand potentiel pour créer un ordinateur quantique tolérant aux pannes. Cependant, il est difficile d'établir un bon contact électrique entre l'isolant topologique et le supraconducteur et de dimensionner de tels dispositifs pour la fabrication, en utilisant les techniques actuelles. Si ce nouveau matériel pouvait être recréé, il pourrait potentiellement surmonter ces deux difficultés.

En informatique standard, la plus petite unité de données qui compose l'ordinateur et stocke les informations, le chiffre binaire, orbite, peut avoir une valeur de 0, pour off, ou 1, pour sur. L'informatique quantique tire parti d'un phénomène appelé superposition, ce qui signifie que les bits, dans ce cas appelés qubits, peut être 0 et 1 en même temps.

Une manière célèbre d'illustrer ce phénomène est une expérience de pensée appelée le chat de Schrödinger. Dans cette expérience de pensée, il y a un chat dans une boîte, mais on ne sait pas si le chat est mort ou vivant jusqu'à ce que la boîte soit ouverte. Avant d'ouvrir la boîte, le chat peut être considéré à la fois vivant et mort, existant dans deux états à la fois, mais, dès l'ouverture de la boîte, l'état du chat, ou dans le cas des qubits, la configuration du système, s'effondre en un seul :le chat est soit vivant, soit mort et le qubit est soit 0, soit 1.

"L'idée est de coder des informations à l'aide de ces états quantiques, " Markovic a dit, "mais pour pouvoir l'utiliser, il doit être encodé et exister assez longtemps pour que vous puissiez le lire."

L'un des problèmes majeurs dans le domaine de l'informatique quantique est que les qubits ne sont pas très stables et qu'il est très facile de détruire les états quantiques. Ces matériaux topologiques fournissent un moyen de faire vivre ces états assez longtemps pour les lire et faire quelque chose avec eux, dit Markovic.

"C'est un peu comme si la boîte du chat de Schrödinger était au sommet d'un mât de drapeau et que le moindre vent pouvait la faire tomber, " a déclaré Mlack. " L'idée est que ces matériaux topologiques élargissent au moins le diamètre du mât du drapeau afin que la boîte repose plus sur une colonne que sur un mât de drapeau. Vous pouvez éventuellement le faire tomber, mais sinon c'est très difficile de casser la boîte et de découvrir ce qui est arrivé au chat."

Bien que leur découverte initiale de ce matériau soit un accident, ils ont pu trouver un processus pour le recréer de manière contrôlée.

Markovic, qui était le conseiller de Mlack chez Johns Hopkins à l'époque, suggéré que, afin de le recréer sans avoir à faire exploser continuellement des appareils, ils pourraient le recuire thermiquement, un processus dans lequel ils le mettent dans un four et le chauffent à une certaine température.

En utilisant cette méthode, les chercheurs ont écrit, "le métal entre directement dans la nanostructure, fournissant un bon contact électrique et pouvant être facilement modelé dans la nanostructure en utilisant une lithographie standard, permettant une évolutivité facile des circuits supraconducteurs personnalisés dans un isolant topologique."

Bien que les chercheurs aient déjà la capacité de fabriquer un matériau topologique supraconducteur, il y a un gros problème dans le fait que, quand ils assemblent deux matériaux, il y a une fissure entre les deux, ce qui diminue le contact électrique. Cela ruine les mesures qu'ils peuvent faire ainsi que les phénomènes physiques qui pourraient conduire à la fabrication de dispositifs permettant l'informatique quantique.

En le modelant directement dans le cristal, le supraconducteur est noyé, et il n'y a aucun de ces problèmes de contact. La résistance est très faible, et ils peuvent modéliser des dispositifs pour l'informatique quantique dans un seul cristal.

Pour tester les propriétés supraconductrices du matériau, ils l'ont mis dans deux réfrigérateurs extrêmement froids, dont l'un se refroidit presque jusqu'au zéro absolu. Ils ont également balayé un champ magnétique à travers elle, qui tuerait la supraconductivité et la nature topologique du matériau, pour découvrir les limites du matériel. Ils ont également fait des mesures électriques standard, faire passer un courant et regarder la tension qui est créée.

"Je pense que ce qui est également bien dans cet article, c'est la combinaison des performances de transport électrique et des informations directes de la caractérisation réelle des matériaux de l'appareil, " a déclaré Drndic. " Nous avons de bonnes informations sur la composition de ces dispositifs pour étayer toutes ces affirmations, car nous avons effectué une analyse élémentaire pour comprendre comment ces deux matériaux se rejoignent. "

L'un des avantages du dispositif des chercheurs est qu'il est potentiellement évolutif, capable de s'adapter sur une puce similaire à celles actuellement dans nos ordinateurs.

« À l'heure actuelle, les principales avancées de l'informatique quantique impliquent des méthodes de lithographie très compliquées, " a déclaré Drndic. "Les gens le font avec des nanofils qui sont connectés à ces circuits. Si vous avez des nanofils simples qui sont très, très petit et puis il faut les mettre à des endroits particuliers, c'est très difficile. La plupart des personnes qui sont à l'avant-garde de cette recherche ont des installations de plusieurs millions de dollars et beaucoup de gens derrière elles. Mais ça, en principe, nous pouvons le faire dans un seul laboratoire. Il permet de fabriquer ces appareils de manière simple. Vous pouvez simplement écrire sur votre appareil comme vous le souhaitez."

Selon Mlack, bien qu'il y ait encore une bonne quantité de limitation; il y a un domaine entier qui a germé consacré à trouver des moyens nouveaux et intéressants d'essayer de tirer parti de ces états quantiques et de ces informations quantiques. En cas de succès, l'informatique quantique permettra un certain nombre de choses.

« Cela permettra un décryptage et un cryptage des informations beaucoup plus rapides, " il a dit, "c'est pourquoi certains des grands sous-traitants de la défense de la NSA, ainsi que des entreprises comme Microsoft, s'y intéressent. Il nous permettra également de modéliser des systèmes quantiques dans un laps de temps raisonnable et est capable de faire certains calculs et simulations plus rapidement que ce que l'on serait généralement capable de faire."

C'est particulièrement bon pour des types de problèmes complètement différents, tels que les problèmes qui nécessitent des calculs parallèles massifs, dit Markovic. Si vous devez faire beaucoup de choses à la fois, l'informatique quantique accélère énormément les choses.

"Il y a des problèmes en ce moment qui prendraient l'âge de l'univers à calculer, " elle a dit.

"Avec l'informatique quantique, vous seriez capable de le faire en quelques minutes. » Cela pourrait également conduire à des avancées dans le développement de médicaments et d'autres systèmes complexes, ainsi que de permettre de nouvelles technologies.

Les chercheurs espèrent commencer à construire des appareils plus avancés qui visent à créer un qubit à partir des systèmes dont ils disposent, ainsi que d'essayer différents métaux pour voir s'ils peuvent modifier les propriétés du matériau.

"C'est vraiment une nouvelle façon potentielle de fabriquer ces appareils que personne n'a fait auparavant, " Mlack a dit. " En général, quand les gens fabriquent certains de ces matériaux en combinant ce matériau topologique et la supraconductivité, c'est un cristal en vrac, donc vous ne contrôlez pas vraiment où tout se trouve. Ici, nous pouvons réellement personnaliser le motif que nous créons dans le matériau lui-même. C'est la partie la plus excitante, surtout quand on commence à parler d'ajouter différents types de métaux qui lui donnent des caractéristiques différentes, qu'il s'agisse de matériaux ferromagnétiques ou d'éléments susceptibles de le rendre plus isolant. Reste à voir si ça marche, mais il existe un potentiel pour créer ces circuits personnalisés intéressants directement dans le matériau."