La recherche sur les états fragiles de la matière qui pourraient donner du fil à retordre aux nombreuses promesses de l'informatique quantique a été stimulée par un ensemble complet d'outils théoriques développés par les chercheurs d'A*STAR.

Longtemps théorisé mais notoirement difficile à réaliser en pratique, les ordinateurs quantiques reposent sur un mécanisme de la physique quantique par lequel un objet peut exister simultanément dans une superposition floue d'états multiples. Ce processus et d'autres processus quantiques complémentaires pourraient théoriquement être utilisés pour effectuer des opérations complexes beaucoup plus rapidement que dans les ordinateurs classiques. Pourtant, malgré des recherches et des investissements importants, les ordinateurs quantiques sont encore peu développés, avec seulement une poignée de plates-formes informatiques rudimentaires démontrées expérimentalement. L'une des principales raisons de l'absence de progrès est la fragilité des états quantiques qui soutiennent des mécanismes comme la superposition.

Électrons et lumière, les « supports d'information » typiques des systèmes informatiques quantiques, les deux ont des propriétés quantiques qui pourraient être exploitées, mais l'astuce consiste à créer un système matériel physique qui fournit les interactions nécessaires pour faire apparaître les phénomènes quantiques. Cela emmène les chercheurs dans un territoire inexploré de la physique.

Bo Yang et Ching Hua Lee du A*STAR Institute of High Performance Computing, en collaboration avec des chercheurs chinois et britanniques, ont maintenant développé un cadre théorique général pour une classe prometteuse de systèmes de matériaux quantiques qui fournira un langage universel aux chercheurs dans ce domaine pionnier.

"Notre cadre décrit une classe de phases exotiques de la matière constituée d'une très fine feuille d'électrons soumise à un fort champ magnétique perpendiculaire, " explique Yang. " Contrairement aux phases conventionnelles de la matière comme les liquides ou les solides, ces phases sont définies par des schémas spécifiques d'électrons qui "dansent" les uns autour des autres."

Différents « modèles de danse » produisent différents états bidimensionnels, ou "ordre topologique", de la même manière que les piqûres d'épingles dans un morceau de papier produisent des motifs différents. Et si les propriétés de la mécanique quantique sont généralement très fragiles, ceux qui se manifestent par l'ordre topologique sont très robustes et pourraient théoriquement être utilisés pour des applications pratiques telles que les ordinateurs quantiques topologiques.

En analysant les structures algébriques de divers modèles simples et en validant leurs résultats par rapport à des calculs numériques à grande échelle, Yang et son équipe ont développé un modèle qui permet aux physiciens d'étudier ces états topologiques dans un large éventail de conditions, y compris les états qui sont communs dans les matériaux réels.

"Nos travaux peuvent aider à la fois les théoriciens et les expérimentateurs à comprendre et à réaliser de nouvelles phases très intéressantes de la matière, " dit Yang.