Qubits, les unités utilisées pour coder les informations en informatique quantique, ne sont pas tous créés égaux. Certains chercheurs pensent que les qubits topologiques, qui sont plus résistants et moins sensibles au bruit environnemental que les autres types, peut être le meilleur moyen de faire avancer l'informatique quantique.

La physique quantique traite de la façon dont les particules fondamentales interagissent et se réunissent parfois pour former de nouvelles particules appelées quasiparticules. Les quasiparticules apparaissent dans des modèles théoriques fantaisistes, mais les observer et les mesurer expérimentalement a été un défi. Avec la création d'un nouvel appareil qui permet aux chercheurs de sonder l'interférence des quasiparticules, nous sommes peut-être à un pas de géant. Les résultats ont été publiés lundi dans Physique de la nature .

"Nous sommes capables de sonder ces particules en les faisant interférer, " a déclaré Michael Manfra, la chaire Bill et Dee O'Brian de physique et d'astronomie à l'Université Purdue. « Les gens essaient de faire ça depuis longtemps, mais il y a eu des défis techniques majeurs."

Pour étudier des particules aussi petites, Le groupe de Manfra construit un tout petit, de minuscules dispositifs utilisant une technique de croissance cristalline qui construit couche atomique par couche atomique, appelée épitaxie par faisceau moléculaire. Les dispositifs sont si petits qu'ils confinent les électrons à deux dimensions. Comme un marbre qui roule sur une table, ils ne peuvent pas monter ou descendre.

Si l'appareil, ou "sur table, " est assez propre et lisse, ce qui domine la physique de l'expérience, ce ne sont pas les actions individuelles des électrons, mais comment ils interagissent les uns avec les autres. Pour minimiser l'énergie individuelle des particules, L'équipe de Manfra les a refroidis à des températures extrêmement basses, environ -460 degrés Fahrenheit. En outre, les électrons ont été soumis à un grand champ magnétique. Dans ces trois conditions :températures extrêmement froides, confiné à deux dimensions, et exposé à un champ magnétique, une physique vraiment étrange commence à se produire. Les physiciens appellent cela le régime de hall quantique fractionnaire.

« Dans ces conditions exotiques, les électrons peuvent s'arranger de sorte que l'objet de base semble porter un tiers d'une charge électronique, " dit Manfra, qui est également professeur de génie des matériaux, et génie électrique et informatique. "Nous considérons les particules élémentaires comme des bosons ou des fermions, en fonction du spin de la particule, mais nos quasiparticules ont un comportement beaucoup plus complexe lorsqu'elles évoluent les unes autour des autres. Déterminer la charge et les propriétés statistiques de ces états est un défi de longue date en physique quantique."

Pour faire interférer les particules, Le groupe de Manfra a construit un interféromètre :un appareil qui fusionne deux ou plusieurs sources de quasiparticules pour créer un motif d'interférence. Si tu jetais deux pierres dans un étang, et leurs vagues se sont croisées à un moment donné, c'est là qu'ils généreraient des interférences et que les modèles changeraient.

Mais reproduire ces effets à une échelle beaucoup plus petite est extrêmement difficile. Dans un espace si exigu, les électrons ont tendance à se repousser, il faut donc de l'énergie supplémentaire pour faire entrer un autre électron dans l'espace. Cela a tendance à perturber les effets d'interférence, de sorte que les chercheurs ne peuvent pas les voir clairement.

L'interféromètre de Purdue surmonte ce défi en ajoutant des plaques métalliques à seulement 25 nanomètres des quasiparticules interférentes. Les plaques métalliques masquent les interactions répulsives, réduire le coût de l'énergie et permettre aux interférences de se produire.

Le nouveau dispositif a des murs identiques de chaque côté et des portes métalliques, un peu comme un flipper. Mais contrairement à un flipper, qui s'éparpille chaotiquement, les électrons de cet appareil suivent un schéma très strict.

"La magie de l'effet hall quantique est que tout le courant va voyager sur le bord de l'échantillon, pas par le milieu, " a déclaré James Nakamura, doctorat candidat à Purdue et auteur principal de l'article. "Lorsque des quasi-particules traversent le séparateur de faisceau, ils sont divisés en deux, au sens de la mécanique quantique. Cela arrive deux fois, à deux diviseurs de faisceau, et des interférences se produisent entre les deux chemins différents."

Dans un domaine de la physique si bizarre, il peut être difficile pour les chercheurs de savoir si ce qu'ils pensent voir est ce qu'ils voient réellement. Mais ces résultats montrent que, potentiellement pour la première fois, les chercheurs ont été témoins de l'interférence mécanique quantique des quasiparticules.

Ce mécanisme pourrait également aider au développement de qubits topologiques sur la route.

"Pour autant que nous sachions, c'est la seule plate-forme viable pour essayer de faire des expériences plus complexes qui peuvent, dans des états plus compliqués, être la base d'un qubit topologique, " a déclaré Manfra. " Nous avons essayé de les construire pendant un certain temps, dans le but final de valider certaines de ces propriétés très étranges. Nous n'en sommes pas encore là, mais nous avons montré que c'était la meilleure voie à suivre."