Des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Chicago, en collaboration avec leurs collègues de l'Université de Hambourg en Allemagne, ont imagé une particule quantique exotique, appelée fermion de Majorana, qui peut être utilisée comme élément de base pour les futurs qubits et, éventuellement, la réalisation d'ordinateurs quantiques. Leurs découvertes sont publiées dans la revue Avancées scientifiques .

Il y a plus de 50 ans, Gordon Moore, l'ancien PDG d'Intel, ont observé que le nombre de transistors sur une puce informatique double tous les 18 à 24 mois. Cette tendance, maintenant connue sous le nom de loi de Moore, a continué jusqu'à nos jours, conduisant à des transistors qui ne mesurent que quelques nanomètres, soit un milliardième de mètre. A cette échelle, les lois classiques de la physique, qui constituent la base sur laquelle fonctionnent nos ordinateurs actuels, cesser de fonctionner, et ils sont remplacés par les lois de la mécanique quantique. Rendre les transistors encore plus petits, qui a été utilisé dans le passé pour augmenter la vitesse de calcul et le stockage des données, est, donc, n'est plus possible.

À moins que les chercheurs puissent comprendre comment utiliser la mécanique quantique comme nouvelle base pour la prochaine génération d'ordinateurs.

C'était l'idée de base formulée en 1982 par Richard Feynman, l'un des physiciens théoriciens les plus influents du XXe siècle. Plutôt que d'utiliser des bits informatiques classiques qui stockent des informations codées en zéros et en uns, on concevrait des "bits quantiques" - ou qubits en abrégé - qui utiliseraient les lois de la mécanique quantique pour stocker n'importe quel nombre entre 0 et 1, augmentant ainsi de façon exponentielle la vitesse de calcul et conduisant à la naissance des ordinateurs quantiques.

"D'habitude, quand tu laisses tomber ton portable, il n'efface pas les informations sur votre téléphone, " a déclaré Dirk Morr, professeur de physique à l'UIC et auteur correspondant de l'article. "C'est parce que les puces sur lesquelles les informations sont stockées en bits de uns et de zéros sont assez stables. Il faut beaucoup de déconner pour transformer un un en zéro et vice versa. Dans les ordinateurs quantiques, cependant, car il y a un nombre infini d'états possibles pour le qubit, l'information peut se perdre beaucoup plus facilement."

Pour former des qubits plus robustes et fiables, les chercheurs se sont tournés vers les fermions de Majorana, des particules quantiques qui ne se produisent que par paires.

"Nous n'avons besoin que d'un fermion de Majorana par qubit, et donc nous devons les séparer les uns des autres, " dit Morr.

En construisant des qubits à partir d'une paire de fermions de Majorana, les informations peuvent être codées de manière fiable, tant que les Majoranas restent suffisamment éloignés les uns des autres.

Pour réaliser cette séparation, et à « imager » un seul fermion de Majorana, il est nécessaire de créer un "supraconducteur topologique" - un système qui peut conduire des courants sans aucune perte d'énergie, et en même temps, est lié à un « nœud topologique ».

"Ce nœud topologique est similaire au trou dans un donut :vous pouvez déformer le donut en tasse à café sans perdre le trou, mais si tu veux détruire le trou, tu dois faire quelque chose d'assez dramatique, comme manger le beignet, " dit Morr.

Pour construire des supraconducteurs topologiques, Les collègues de Morr à l'Université de Hambourg ont placé une île d'atomes de fer magnétiques, seulement quelques dizaines de nanomètres de diamètre, à la surface du rhénium, un supraconducteur. Le groupe de Morr avait prédit qu'en utilisant un microscope à effet tunnel, on devrait être capable d'imager un fermion de Majorana comme une ligne lumineuse le long du bord de l'île d'atomes de fer. Et c'est exactement ce que le groupe expérimental a observé.

"Être capable de visualiser réellement ces particules quantiques exotiques nous rapproche un peu plus de la construction de qubits robustes, et finalement les ordinateurs quantiques, " Morr a déclaré. "La prochaine étape sera de comprendre comment nous pouvons ingénierie quantique ces qubits Majorana sur des puces quantiques et les manipuler pour obtenir une augmentation exponentielle de notre puissance de calcul. Cela nous permettra de résoudre de nombreux problèmes auxquels nous sommes confrontés aujourd'hui, de la lutte contre le réchauffement climatique et la prévision des tremblements de terre à la réduction des embouteillages grâce aux voitures sans conducteur et à la création d'un réseau énergétique plus fiable."