Des chercheurs de l'Université de Copenhague et du Microsoft Quantum Lab Copenhagen ont récemment mené une étude sur le potentiel des modes zéro de Majorana, états de quasiparticule à énergie nulle que l'on peut trouver dans les nanofils hybrides supraconducteurs, comme moyen de protéger les données quantiques. Leur papier, Publié dans Physique de la nature , décrit l'observation de signatures tunnel assistées par photons dans un nanofil Majorana, offrant de nouvelles perspectives intéressantes qui pourraient ouvrir la voie à une meilleure compréhension de ces états de quasi-particules.

"Notre objectif à long terme est de développer un moyen de protéger et de contrôler l'information quantique pour les applications d'informatique quantique, " Le co-auteur de l'article, le professeur Charles Marcus, a déclaré à Phys.org par e-mail. " Une proposition intrigante consiste à utiliser les modes zéro de Majorana pour offrir une protection au niveau de la physique, plutôt qu'au niveau du circuit en utilisant la redondance et la correction d'erreurs."

Au niveau physique, Les modes zéro Majorana cachent des informations spécifiques, plus précisément si un électron en excès est présent ou absent localement à l'intérieur d'un supraconducteur topologique donné. Ces informations ne peuvent être dévoilées à l'aide d'outils de collecte de mesures locales.

Théoriquement, utiliser les modes zéro de Majorana pour protéger les données quantiques devrait donc être plutôt simple et direct. Cependant, cela s'est avéré jusqu'à présent très difficile à réaliser, car cela demande des efforts importants, y compris le développement de méthodes pour lire les états d'énergie zéro et la conception de matériaux hybrides qui peuvent atteindre ces états en premier lieu.

"Un certain nombre de premières étapes concrètes vers la réalisation de ce concept ont été décrites dans un article théorique que nous avons écrit en 2016, mais faire fonctionner même les sous-composants de notre système proposé est un défi, " Marcus a déclaré. "Un composant critique est une jonction supraconductrice topologique où les modes Majorana peuvent être couplés et découplés à l'aide d'impulsions électriques. Notre récente expérience a été conçue pour tester ce composant particulier :le site où le couplage des modes Majorana à travers une jonction pourrait être contrôlé. »

L'effet tunnel assisté par photons est une technique qui peut être utilisée pour « connecter » des états quantiques d'énergie totale inégale, en utilisant un photon avec une énergie correspondant à la différence. L'énergie totale des états quantiques dans cette expérience dépend de la présence d'un excès d'électrons à des états discrets d'énergie nulle.

Cet effet a finalement permis aux chercheurs de détecter une différence dans l'occupation moyenne des charges. Comme la fréquence du photon est une énergie qui peut être contrôlée, ils pourraient déduire la différence d'énergie entre les états quantiques et finalement la convertir en une force de couplage.

"Au début des dispositifs supraconducteurs et de spin qubit, l'effet tunnel assisté par photons a souvent été utilisé comme technique pour cartographier la différence d'énergie entre les états des qubits, " David van Zanten, un autre chercheur impliqué dans l'étude, dit Phys.org. "La différence d'énergie minimale est définie par l'énergie du couplage d'échange cohérent. Sur la base de ces travaux antérieurs, nous avons décidé d'utiliser l'effet tunnel assisté par photons comme outil pour identifier et caractériser le couplage cohérent entre les fermions de Majorana de différentes paires."

La méthode utilisée par les chercheurs est assez simple. Il s'agit de mesurer l'occupation moyenne en charge d'une structure à double îlot qui héberge les modes zéro de Majorana, tout en appliquant simultanément une tonalité de micro-ondes à une structure presque métallique couplée principalement à l'un des îlots de la structure.

Pour que leur technique fonctionne, les chercheurs ont dû développer des structures topologiques à double îlot supraconductrices adaptées et des capteurs de charge RF SET qui pourraient être introduits à l'intérieur d'un nanofil InAs/AI, qui devait à son tour être placé sur un substrat auquel des micro-ondes pouvaient être appliquées. En outre, ils ont dû régler soigneusement tous les boutons de l'appareil et identifier une plage étendue à laquelle toutes les conditions nécessaires à l'effet tunnel assisté par photons des modes zéro de Majorana étaient remplies.

Les auteurs ont travaillé en étroite collaboration avec une équipe de chercheurs spécialisés dans les matériaux quantiques, dirigé par Peter Krogstrup. Ce groupe de scientifiques était responsable de la croissance des fils utilisés dans l'expérience.

Finalement, les matériaux et les méthodes utilisés dans leur expérience ont permis aux chercheurs d'observer des signatures tunnel assistées par photons à un champ magnétique fini, induisant 1e périodicité de grille dans les deux îlots. Néanmoins, il faut être prudent dans l'interprétation de leurs conclusions, comme le leur n'est qu'un résultat préliminaire.

"L'aspect le plus remarquable de notre étude réside dans la cohérence interne entre les différentes mesures et observations présentées dans l'article, ainsi que d'autres travaux réalisés par d'autres dans notre même communauté de recherche, " a déclaré van Zanten. " Chacune de nos mesures indique indépendamment la présence d'états discrets à énergie nulle dans les deux îles, une image conforme aux modes zéro de Majorana. La cohérence interne laisse entendre que notre interprétation est valide, mais est-ce que cela prouve le couplage de Majorana ? Non."

Selon les chercheurs, d'autres états fermioniques qui se produisent à énergie zéro pourraient également être construits d'une manière qui ressemble aux modes zéro de Majorana. Pour cette raison, leurs résultats, ainsi que ceux similaires rassemblés par d'autres équipes dans le passé, doivent être considérés comme des interprétations plutôt que comme des faits.

« Quelle interprétation existante est la plus raisonnable est sujette à débat, qui se nourrit de la variété des résultats collectés par les différents groupes, " dit Marcus. " Ce que nous avons montré, c'est qu'à haut champ, il y a un état discret dans les fils à énergie zéro (précisément là où résiderait un Majorana) et qu'en réglant une jonction, nous pouvons coupler et découpler ces modes à énergie zéro, mesurant leur force de couplage.

L'étude récente menée par l'équipe basée à Copenhague fournit de nouvelles observations qui peuvent être ajoutées au pool de résultats liés aux modes zéro dans les fils de Majorana collectés par différentes équipes de recherche au cours de la dernière décennie. À l'avenir, leurs travaux pourraient servir de base à de nouvelles études étudiant le potentiel de ces états pour renforcer la sécurité de la technologie quantique.

« Dans nos prochaines études, nous aimerions utiliser des systèmes matériels plus faciles à travailler, " a déclaré Marcus. " Les nanofils que nous avons utilisés étaient un bon début, mais placer des fils individuels à la main n'est pas un moyen de construire un réseau de Majoranas. Les matériaux sont la clé du progrès dans ce domaine :nouveaux matériaux, matériaux plus propres, des matériaux plus faciles à travailler."

En plus de répéter leur expérience avec différents matériaux, les chercheurs prévoient de mener des études intégrant des systèmes multi-jonctions. En réalité, Des recherches antérieures suggèrent que les systèmes à jonctions multiples permettent la création de dispositifs plus sophistiqués et plus intéressants.

"Nous aimerions maintenant également introduire d'autres yeux dans le développement de notre système, ce qui nous permettrait de distinguer rapidement et en toute confiance entre les modes zéro qui peuvent cacher l'information quantique et ceux qui ne le peuvent pas, " Marcus et van Zanten ont déclaré. " Le tressage des modes zéro de Majorana est une démonstration clé que nos états d'énergie zéro possèdent la propriété clé qui est nécessaire pour la protection de l'information, mais cette mesure n'a pas été faite. Notre expérience présente introduit la théorie de base, mais maintenant, les scientifiques des matériaux et les expérimentateurs devront le tester."

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