Des physiciens étudiant le comportement étrange d'alliages métalliques appelés fermions lourds ont fait une découverte surprenante qui pourrait être utile pour sauvegarder les informations stockées dans les bits quantiques, ou qubits, les unités de base de l'information codée dans les ordinateurs quantiques.

Dans une étude dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , des chercheurs de l'Université Rice et de l'Université de technologie de Vienne (TU Wien) en Autriche ont examiné le comportement d'un cristal intermétallique de cérium, palladium et silicium car il était soumis à un froid extrême et à un champ magnétique intense. A leur grande surprise, ils ont découvert qu'ils pouvaient transformer le comportement quantique du matériau de deux manières uniques, une dans laquelle les électrons rivalisent pour occuper des orbitales et une autre où ils rivalisent pour occuper des états de spin.

"L'effet est tellement prononcé avec un degré de liberté qu'il finit par libérer l'autre, " dit Qimiao Si de Rice, co-auteur de l'étude et directeur du Rice Center for Quantum Materials (RCQM). "Vous pouvez essentiellement régler le système pour maximiser les dommages à l'un d'entre eux, laissant l'autre bien défini."

Si a déclaré que le résultat pourrait être important pour des entreprises comme Google, IBM, Intel et d'autres qui sont en concurrence pour développer des ordinateurs quantiques. Contrairement aux ordinateurs numériques d'aujourd'hui, qui utilisent l'électricité ou la lumière pour coder des bits d'information, les ordinateurs quantiques utilisent les états quantiques de particules subatomiques comme les électrons pour stocker des informations en qubits. Un ordinateur quantique pratique pourrait surpasser son homologue numérique à bien des égards, mais la technologie en est encore à ses balbutiements, et l'un des principaux obstacles est la fragilité des états quantiques à l'intérieur des qubits.

"Vous avez besoin d'un état quantique bien défini si vous souhaitez être assuré que les informations stockées dans un qubit ne changeront pas en raison des interférences de fond, " dit Si.

Chaque électron agit comme un aimant en rotation, et son spin est décrit dans l'une des deux valeurs, haut ou bas. Dans de nombreuses conceptions de qubit, l'information est encodée dans ces spins, mais ces états peuvent être si fragiles que même de petites quantités de lumière, Chauffer, les vibrations ou le son peuvent les faire basculer d'un état à un autre. Minimiser les informations perdues à cause d'une telle " décohérence " est une préoccupation majeure dans la conception de qubit, Si dit.

Dans la nouvelle étude, Si a travaillé avec Silke Paschen, collaboratrice de longue date de la TU Wien, pour étudier un matériau dans lequel les états quantiques des électrons étaient brouillés non seulement en termes de spins, mais également en termes d'orbitales.

"Nous avons conçu un système, réalisé dans certains modèles théoriques et concurremment réalisé dans un matériau, où les spins et les orbitales sont presque sur un pied d'égalité et sont fortement couplés ensemble, " il a dit.

D'après des recherches antérieures en 2012, Si, Paschen et ses collègues savaient que les électrons du composé pouvaient être amenés à interagir si fortement que le matériau subirait un changement spectaculaire à une température extrêmement froide. De part et d'autre de ce "point critique quantique, " les électrons dans les orbitales clés s'organiseraient d'une manière complètement différente, le changement se produisant uniquement en raison des interactions quantiques entre eux.

L'étude précédente invoquait une théorie bien connue Si et des collaborateurs développée en 2001 qui prescrit comment les spins de ces électrons localisés, qui font partie des atomes à l'intérieur de l'alliage, se couplent fortement avec des électrons de conduction fluides au point critique quantique. Selon cette théorie « critique quantique locale », au fur et à mesure que le matériau se refroidit et s'approche du point critique, les spins des électrons localisés et des électrons de conduction commencent à entrer en compétition pour occuper des états de spin particuliers. Le point critique quantique est le point de basculement où cette compétition détruit l'arrangement ordonné des électrons localisés et ils deviennent à la place complètement intriqués avec les électrons de conduction.

Même si Si étudie la criticité quantique depuis près de 20 ans, il a été surpris par les résultats des dernières expériences de Paschen.

"Les nouvelles données étaient complètement déconcertantes pour nous tous, " dit-il. " C'est, jusqu'à ce que nous réalisions que le système contenait non seulement des spins mais aussi des orbitales en tant que degrés de liberté actifs."

Avec cette prise de conscience, L'équipe de Si, y compris l'étudiant diplômé de Rice Ang Cai, construit un modèle théorique qui contient à la fois les spins et les orbitales. Leur analyse détaillée du modèle a révélé une forme surprenante de criticité quantique qui a permis une compréhension claire des expériences.

"C'était un choc pour moi, tant du point de vue du modèle théorique que des expériences, " dit-il. " Même si c'est une soupe de choses - des tours, orbitales qui sont toutes fortement couplées les unes aux autres et aux électrons de conduction de fond - nous pourrions résoudre deux points critiques quantiques dans ce système unique sous le réglage d'un paramètre, qui est le champ magnétique. Et à chacun des points critiques quantiques, seul le spin ou l'orbitale pilote la criticité quantique. L'autre est plus ou moins un spectateur."