Des chercheurs financés par l'armée américaine à l'Université de Californie à Los Angles ont trouvé une signature proverbiale de pistolet fumant de la particule Majorana longtemps recherchée, et la trouvaille, ils disent, pourrait bloquer les intrus sur les réseaux de communication sensibles.

Les particules de Majorana, qui ont été prédites il y a plus de 80 ans par le physicien théoricien italien Ettore Majorana, pourraient devenir des blocs de construction essentiels pour les ordinateurs quantiques, car leurs propriétés inhabituelles les rendent résistants aux interférences externes et empêchent la perte d'informations quantiques.

La découverte ne résout pas seulement un problème de longue date en physique, mais ouvre également une voie potentielle pour contrôler les fermions de Majorana pour réaliser un calcul quantique topologique robuste, a déclaré le Dr Joe Qiu, responsable du Programme Electronique Solide au sein de la Direction des Sciences de l'Ingénieur du Bureau de Recherche de l'Armée, un élément du laboratoire de recherche de l'armée américaine, situé au Research Triangle Park à Durham, Caroline du Nord.

Les ordinateurs quantiques pourraient résoudre des problèmes beaucoup plus rapidement et efficacement que les ordinateurs classiques, conduisant potentiellement à une amélioration significative de la connaissance de la situation avec la capacité de traiter une grande quantité de données disponibles, un domaine de recherche prioritaire fondamental pour l'armée américaine.

"Des approches expérimentales antérieures basées sur des nanofils semi-conducteurs sur des supraconducteurs ont produit des signaux non concluants qui pourraient également être attribués à d'autres effets, " a déclaré Qiu. " L'expérience de l'UCLA utilisant des couches empilées d'isolant topologique magnétique et de supraconducteur a démontré la preuve la plus claire et la plus claire des particules comme prédit par la théorie jusqu'à présent. "

La recherche menant à la découverte représente une étroite collaboration interdisciplinaire entre une équipe de chercheurs comprenant des ingénieurs électriciens, physiciens et spécialistes des matériaux. L'équipe de l'UCLA est financée par une initiative de recherche universitaire multidisciplinaire de l'armée, ou MURI, prix géré conjointement par Electronics (Dr Joe Qiu), Divisions de physique (Dr Marc Ulrich) et des matériaux (Dr John Prater) à l'ARO. ARO finance la recherche pour initier des découvertes scientifiques et technologiques de grande envergure dans des organisations extra-muros, les établissements d'enseignement, les organisations à but non lucratif et l'industrie privée qui peuvent rendre les futurs soldats américains plus forts et plus sûrs.

Cette recherche a été dirigée par le professeur Kang Wang, un professeur distingué de génie électrique de l'UCLA, de physique et de science et ingénierie des matériaux, qui détient également la chaire Raytheon de l'UCLA en génie électrique.

Publié pour la première fois dans la prestigieuse revue Science Juillet dernier, la recherche a été présentée dans une conférence invitée présentée par le professeur Wang ainsi que deux autres conférences invitées connexes par ses collaborateurs lors de la réunion de mars de l'American Physical Society.

« Parce que la particule de Majorana est sa propre antiparticule – ne portant aucune charge électrique – elle est considérée comme le meilleur candidat pour transporter un bit quantique, ou qubit, l'unité de données qui serait le fondement des ordinateurs quantiques. Contrairement aux « bits » de données dans les ordinateurs standard, qui peut être représenté par des 0 ou des 1, les qubits ont la capacité d'être à la fois des 0 et des 1, une propriété qui donnerait aux ordinateurs quantiques une puissance et une vitesse de calcul exponentiellement supérieures aux meilleurs supercalculateurs d'aujourd'hui, " dit Qiu.

La particule de Majorana a fait l'objet d'un vif intérêt pour l'informatique quantique en grande partie parce que sa charge neutre la rend résistante aux interférences externes et lui donne la capacité d'exploiter et de maintenir une propriété quantique connue sous le nom d'intrication. L'intrication permet à deux particules physiquement séparées de coder simultanément des informations, qui pourrait générer une énorme puissance de calcul.

« Imaginez que les bits de données dans les ordinateurs standard sont comme des voitures circulant dans les deux sens sur des autoroutes à deux voies, " dit Wang, qui est également directeur du Centre d'excellence en nanotechnologie verte de la ville du roi Abdulaziz pour la science et la technologie. "Un ordinateur quantique peut avoir plusieurs voies et plusieurs niveaux de "trafic, ' et les voitures pouvaient sauter d'un niveau à l'autre et voyager dans les deux sens en même temps, dans toutes les voies et à tous les niveaux. Nous avons besoin d'écurie, des 'voitures' quantiques blindées pour le faire et les particules de Majorana sont ces supercars."

Pour leurs recherches, l'équipe a mis en place un supraconducteur, un matériau qui permet aux électrons de circuler librement sur ses surfaces sans résistance, et placé au-dessus d'elle une couche mince d'un nouveau matériau quantique appelé isolant topologique, pour donner aux ingénieurs la possibilité de manipuler les particules dans un motif spécifique. Après avoir balayé un très petit champ magnétique sur l'installation, les chercheurs ont découvert le signal quantifié distinct des particules de Majorana - l'empreinte digitale révélatrice d'un type spécifique de particules quantiques - dans le trafic électrique entre les deux matériaux.

"Les particules de Majorana apparaissent et se comportent comme les moitiés d'un électron, bien qu'ils ne soient pas des morceaux d'électrons, " a déclaré Qing Lin He, un chercheur postdoctoral de l'UCLA et co-auteur principal du Science papier. "Nous avons observé un comportement quantique, et le signal que nous avons vu montrait clairement l'existence de ces particules."

Dans l'expérience, Les particules de Majorana ont voyagé le long des bords de l'isolant topologique selon un motif distinct en forme de tresse. Les chercheurs ont déclaré que la prochaine étape de leurs recherches explorera comment utiliser les particules de Majorana dans le tressage quantique, qui les assemblerait pour permettre le stockage et le traitement des informations à des vitesses très élevées.

Lei Pan, un doctorant de l'UCLA en génie électrique et co-auteur principal de l'article, les propriétés uniques des particules de Majorana semblent les rendre particulièrement utiles pour les ordinateurs quantiques topologiques.

"Alors que les systèmes quantiques conventionnels ont des schémas sophistiqués pour corriger les erreurs, les informations codées dans un ordinateur quantique topologique ne peuvent pas être facilement corrompues, ", a-t-il déclaré. "Ce qui est excitant dans l'utilisation des particules de Majorana pour construire des ordinateurs quantiques, c'est que le système serait tolérant aux pannes."

L'équipe de recherche comprend également des membres collaborateurs de l'UC Irvine, UC Davis et l'Université de Stanford.