Les scientifiques de l'UC Santa Barbara sont à l'aube d'une avancée majeure dans l'informatique quantique topologique.

Dans un article paru dans le journal La nature , Chris Palmström, professeur d'ingénierie électrique et informatique et des matériaux à l'UCSB, et ses collègues décrivent une méthode par laquelle des nanofils en forme de "hashtag" peuvent être cajolés pour générer des quasiparticules de Majorana. Ces quasiparticules sont des états exotiques qui, s'ils sont réalisés, peut être utilisé pour coder des informations avec très peu de risque de décohérence - l'un des plus grands défis de l'informatique quantique - et donc, peu besoin de correction d'erreur quantique.

"C'était un très bon pas pour faire bouger les choses, " a déclaré Palmstrøm. En 2012, Les scientifiques néerlandais Leo Kouwenhoven et Erik Bakkers (également auteurs de l'article) des universités de technologie de Delft et d'Eindhoven aux Pays-Bas, ont rapporté la première observation d'états cohérents avec ces quasiparticules. À l'époque, cependant, ils se sont arrêtés avant la preuve définitive qu'ils étaient en fait les Majoranas, et non d'autres phénomènes.

Sous l'égide de la station de recherche Q de Microsoft Corporation basée sur le campus de l'UCSB, cette équipe de scientifiques fait partie d'un effort international plus important pour construire le premier ordinateur quantique topologique.

Les quasiparticules portent le nom du physicien italien Ettore Majorana, qui a prédit leur existence en 1937, autour de la naissance de la mécanique quantique. Ils ont la particularité unique d'être leurs propres antiparticules :ils peuvent s'annihiler les uns les autres. Ils ont aussi la qualité d'être non-abéliens, résultant en la capacité de "se souvenir" de leurs positions relatives au fil du temps - une propriété qui les rend au cœur du calcul quantique topologique.

"Si vous devez déplacer physiquement ces Majoranas les unes autour des autres, ils se souviendront s'ils ont été déplacés dans le sens horaire ou antihoraire, " a déclaré Mihir Pendharkar, un étudiant chercheur diplômé du Groupe Palmstrøm. Cette opération de déplacement l'un autour de l'autre, il a continué, est ce qu'on appelle le « tressage ». Les calculs pourraient en théorie être effectués en tressant les Majoranas puis en les fusionnant, libérant un pouf d'énergie - un "high numérique" - ou absorbant de l'énergie - un "low numérique". Les informations sont contenues et traitées par l'échange de positions, et le résultat est partagé entre les deux ou plusieurs Majoranas (pas les quasiparticules elles-mêmes), une propriété topologique qui protège l'information des perturbations environnementales (bruit) qui pourraient affecter les Majoranas individuels.

Cependant, avant tout tressage, ces quasiparticules fragiles et fugaces doivent d'abord être générées. Dans cette collaboration internationale, Les plaquettes semi-conductrices ont commencé leur voyage avec la structuration de gouttelettes d'or à l'Université de technologie de Delft. Avec les gouttelettes d'or agissant comme des graines, Des nanofils semi-conducteurs d'antimoniure d'indium (InSb) ont ensuite été cultivés à l'Université de technologie d'Eindhoven. Prochain, les nanofils ont voyagé à travers le monde jusqu'à Santa Barbara, où les chercheurs du groupe Palmstrøm les ont soigneusement nettoyés et partiellement recouverts d'une fine coque d'aluminium supraconducteur. Les nanofils ont été renvoyés aux Pays-Bas pour des mesures électriques à basse température.

"Le Majorana a été prédit pour se produire entre un supraconducteur et un fil semi-conducteur, " Expliqua Palmstrøm. Certains des fils qui se croisent dans le dispositif en forme de hashtag infinitésimal sont fusionnés, tandis que d'autres se manquent à peine, laissant un espace très précis. Cette conception intelligente, selon les chercheurs, permet à certaines régions d'un nanofil de se passer d'un revêtement de coque en aluminium, établissant les conditions idéales pour la mesure de Majoranas.

"Ce que vous devriez voir, c'est un état à énergie zéro, " a déclaré Pendharkar. Ce " pic de biais zéro " est cohérent avec les mathématiques qui font qu'une particule est sa propre antiparticule et a été observé pour la première fois en 2012. " En 2012, ils ont montré un minuscule blip de biais zéro dans une mer d'arrière-plan, " a déclaré Pendharkar. Avec la nouvelle approche, il a continué, "maintenant la mer a disparu, " qui non seulement clarifie le résultat de 2012 et rapproche les chercheurs de la preuve définitive des états de Majorana, mais jette également une base plus solide pour la production de ces quasiparticules.

Majoranes, en raison de leur immunité particulière à l'erreur, peut être utilisé pour construire un qubit idéal (unité d'information quantique) pour les ordinateurs quantiques topologiques, et, selon les chercheurs, peut aboutir à un ordinateur quantique plus pratique car sa tolérance aux pannes nécessitera moins de qubits pour la correction d'erreurs.

"Tous les ordinateurs quantiques vont fonctionner à des températures très basses, " Palmstrôm a dit, "parce que 'quantique' est une très faible différence d'énergie." Ainsi, ont dit les chercheurs, refroidir moins de qubits tolérants aux pannes dans un circuit quantique serait plus facile, et fait dans une plus petite empreinte, que de refroidir plus de qubits sujets aux erreurs plus ceux nécessaires pour se protéger des erreurs.

La dernière étape vers la preuve concluante de Majoranas sera dans le tressage, une expérience que les chercheurs espèrent mener dans un proche avenir. À cette fin, les scientifiques continuent de s'appuyer sur cette base avec des conceptions qui peuvent permettre et mesurer le résultat du tressage.

« Nous avons eu le financement et l'expertise de personnes qui sont des experts du côté des mesures, et experts du côté théorique des choses, " Pendharkar a dit, "Et ce fut une excellente collaboration qui nous a amenés à ce niveau."