Dans les années récentes, des physiciens du monde entier ont mené des études explorant les caractéristiques et la dynamique des phases topologiques de la matière qui pourraient permettre le développement de dispositifs quantiques et d'autres nouvelles technologies. Certaines de ces phases sont soutenues par ce que l'on appelle la symétrie d'inversion du temps (SRT) des lois microscopiques de la nature.

Des chercheurs de l'Université de Cambridge ont récemment démontré que certaines phases topologiques protégées par TRS sont fondamentalement instables vis-à-vis du couplage à leur environnement environnant. Leurs découvertes, décrit dans un article publié dans Physique de la nature , mettent en évidence un certain nombre de défis qui pourraient être associés à l'utilisation de systèmes topologiques pour développer des technologies quantiques.

"Nous nous sommes intéressés à certaines phases de la matière dites phases topologiques, qui ont attiré beaucoup d'attention récemment en raison de leurs applications proposées dans les technologies quantiques, " Max McGinley, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "En particulier, on pense que certaines phases topologiques sont capables de stocker des informations quantiques d'une manière naturellement robuste à toutes les imperfections qui surviennent inévitablement dans les expériences, ce qui les rend potentiellement utiles pour le calcul quantique."

La plupart des arguments théoriques existants justifiant la robustesse des phases topologiques au bruit expérimental ne tiennent pas compte du fait que dans les implémentations réelles, ces systèmes peuvent interagir avec leur environnement de manière inattendue. Avec ça en tête, McGinley et son collègue Nigel R. Cooper ont entrepris de déterminer si les systèmes topologiques fonctionnaient toujours bien lorsqu'ils sont utilisés pour développer des dispositifs de mémoire quantique et en présence d'effets "environnementaux" externes. Leurs premiers résultats pointent vers un principe général qui pourrait s'appliquer à toutes les phases topologiques, plutôt que spécifiquement à ceux qui permettent le stockage d'informations quantiques.

"Nous avons montré qu'il existe une certaine classe de phases topologiques (appelées phases topologiques protégées contre la symétrie par inversion du temps) qui deviennent instables lorsqu'elles interagissent avec l'environnement qui les entoure et ne peuvent donc pas être utilisées dans le monde réel, " a déclaré McGinley. " Une grande partie de notre analyse était basée sur les effets de symétries en mécanique quantique, qui sont au cœur de la théorie des phases topologiques.

Les symétries limitent naturellement les processus qui peuvent ou ne peuvent pas se produire dans les systèmes physiques. Dans les systèmes topologiques, par exemple, une symétrie particulière peut empêcher la perte d'informations quantiques.

Les types de symétries les plus conventionnels existant dans la nature sont ceux liés aux coordonnées spatiales. Par exemple, un carré a une symétrie sous une rotation de 90 degrés autour de son centre. TRS est un type de symétrie plus subtil qui apparaît dans la description physique d'un système dynamique. Essentiellement, TRS signifie que dans un système physique, les lois de la physique se ressemblent lorsque le temps avance et recule.

"Étrangement, cette symétrie ne se reflète pas dans les grands objets que nous rencontrons dans notre vie quotidienne (c'est-à-dire, systèmes constitués de très nombreuses particules microscopiques), " expliqua McGinley. " Par exemple, une tasse de café chaud se refroidira avec le temps, mais une tasse de café froide ne se réchauffera pas spontanément. Nous avons réalisé que cette disparité entre les symétries des lois fondamentales de la nature et les symétries des systèmes complexes à plusieurs particules (comme votre tasse de café) apparaît également dans les systèmes topologiques. Les phases topologiques qui reposent sur la symétrie d'inversion du temps sont celles qui sont instables pour exactement les mêmes raisons."

L'étude met en évidence les limites possibles de l'utilisation de systèmes topologiques protégés par TRS pour développer des technologies quantiques. Plus précisement, les chercheurs ont observé que certaines phases topologiques sont beaucoup moins résistantes au bruit environnemental que ce que prédisent les théories existantes.

"Un pessimiste pourrait voir cela comme une mauvaise nouvelle pour le terrain, " a déclaré McGinley. " Cependant, notre point de vue est que nos résultats peuvent aider ceux qui travaillent à mettre en pratique des systèmes topologiques. Après avoir identifié quelles phases topologiques sont instables, l'attention future peut se concentrer sur ceux qui peuvent, en principe, être à l'abri de ces effets environnementaux négatifs.

Le nouveau principe s'applique à toutes les phases topologiques, mais les chercheurs l'ont jusqu'à présent principalement étudié dans le contexte des mémoires quantiques ou d'autres technologies quantiques. Dans leurs prochaines études, ils envisagent de tester et d'étudier le même principe en relation avec d'autres applications.

"Par exemple, certaines phases topologiques devraient avoir des propriétés de conductance électrique intéressantes, mais les expériences ne montrent pas la même robustesse qu'on pourrait s'y attendre sur la base des théories actuelles, " a déclaré McGinley. " Peut-être que les idées que nous avons découvertes ici pourraient être utilisées pour expliquer certains aspects de ces expériences. "

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