Les physiciens de l'Université Rice qui se consacrent à la création des composants fonctionnels d'un ordinateur quantique tolérant aux pannes ont réussi à créer un état de la matière inédit.

L'"isolant excitonique topologique" a été observé lors d'essais à Rice par une équipe internationale des États-Unis et de Chine. Les chercheurs rapportent leurs découvertes cette semaine dans le journal Communication Nature . Leur dispositif pourrait potentiellement être utilisé dans un ordinateur quantique topologique, un type d'ordinateur quantique qui stocke des informations dans des particules quantiques qui sont "tressées" ensemble comme des nœuds qui ne se cassent pas facilement. Ces écuries, bits quantiques "topologiques" tressés, ou qubits topologiques, pourrait surmonter l'une des principales limitations de l'informatique quantique aujourd'hui :les qubits qui ne sont pas topologiques se « décohèrent » facilement et perdent les informations qu'ils stockent.

Les ordinateurs conventionnels utilisent des données binaires, informations stockées sous forme de uns ou de zéros. Grâce aux bizarreries de la mécanique quantique, les qubits peuvent représenter les deux, des zéros et un troisième état qui est à la fois un un et un zéro.

Ce troisième état peut être utilisé pour accélérer le calcul, à tel point qu'un ordinateur quantique avec seulement quelques dizaines de qubits pourrait terminer certains calculs aussi rapidement qu'une micropuce avec un milliard de transistors binaires.

Dans la nouvelle étude, Le physicien du riz Rui-Rui Du et l'ancien étudiant diplômé de Rice Lingjie Du (aucun lien de parenté) ont collaboré avec des chercheurs de Rice, L'Université de Pékin et l'Académie chinoise des sciences pour créer des isolants excitoniques faits de minuscules éclats d'ultrapur, semi-conducteurs empilés. Les appareils, qui ne font pas plus de 100 microns de large, contiennent une feuille d'arséniure d'indium sur une feuille d'antimoine de gallium. Lorsqu'il est refroidi dans un bain d'hélium liquide à une température critique d'environ 10 kelvins, un liquide quantique superfluide se forme à l'intérieur des appareils et l'électricité cesse de les traverser.

« Cela ressemble beaucoup au processus dans un supraconducteur, où vous avez des électrons qui s'attirent les uns aux autres pour former des paires qui s'écoulent sans résistance, " dit Rui-Rui Du, professeur de physique et d'astronomie à Rice et chercheur au Rice Center for Quantum Materials (RCQM). "Dans notre cas, les électrons s'associent à des "trous d'électrons" chargés positivement pour créer un superfluide avec une charge nette de zéro."

Lingjie Du, maintenant chercheur postdoctoral à l'Université de Columbia, mentionné, "C'est un effet collectif, ainsi, pour un observateur extérieur, le système conduit l'électricité normalement jusqu'à ce qu'il soit refroidi à la température critique, où il change soudainement de phase pour devenir un parfait isolant."

Pour prouver que l'appareil était l'isolant excitonique tant recherché, l'équipe devait d'abord montrer que le fluide était un condensat quantique. Cette tâche revenait à Xinwei Li, un étudiant diplômé du laboratoire du chercheur du RCQM Junichiro Kono. Li et Kono, professeur de génie électrique et informatique à Rice, ont fait briller des ondes térahertz à travers les appareils alors qu'ils étaient refroidis à la température critique et ont découvert que les échantillons absorbaient l'énergie térahertz dans deux bandes distinctes, une signature de condensation quantique.

Montrer que l'appareil était topologique impliquait des tests de conduction électrique dans une bande unidimensionnelle autour de leur périmètre.

"Cette nouvelle propriété de l'état périphérique est la chose qui intéresse beaucoup les gens, " Rui-Rui Du dit. " Cet état de bord n'a pas de résistance électrique, et vous obtenez une conduction dans laquelle les électrons sont liés à leur moment de rotation. S'ils ont un type de rotation, ils vont dans le sens des aiguilles d'une montre et s'ils ont l'autre, ils vont dans le sens inverse des aiguilles d'une montre."

Les circuits de tressage construits sur ces flux d'électrons opposés auraient des signatures topologiques inhérentes qui pourraient être utilisées pour former des qubits tolérants aux pannes.

"L'autre beauté de ceci est que les mêmes principes s'appliquent toujours à température ambiante, " Rui-Rui Du a déclaré. "Il existe des matériaux en couches atomiques tels que le disulfure de tungstène qui pourraient potentiellement être utilisés pour créer ce même effet à température ambiante, à condition qu'ils puissent être fabriqués sous une forme suffisamment pure.