Notre monde physique en 3D se compose de seulement deux types de particules :les bosons, qui incluent la lumière et le célèbre boson de Higgs; et les fermions – les protons, les neutrons et les électrons qui composent tout ce « truc », y compris la société actuelle.
Cependant, les physiciens théoriciens comme Ashvin Vishwanath, professeur de physique George Vasmer Leverett à Harvard, n'aiment pas se limiter à notre monde. Dans un environnement 2D, par exemple, toutes sortes de nouvelles particules et états de la matière deviendraient possibles.
L'équipe de Vishwanath a utilisé une machine puissante appelée processeur quantique pour créer, pour la première fois, une toute nouvelle phase de la matière appelée ordre topologique non-abélien. Auparavant reconnue uniquement en théorie, l'équipe a démontré la synthèse et le contrôle de particules exotiques appelées anyons non abéliens, qui ne sont ni des bosons ni des fermions, mais quelque chose entre les deux.
Leurs résultats sont publiés dans Nature en collaboration avec des chercheurs de la société d'informatique quantique Quantinuum. L'équipe de Vishwanath comprenait Nat Tantivasadakarn '22, ancien étudiant à la Harvard Kenneth C. Griffin Graduate School of Arts and Sciences, maintenant à Caltech, et Ruben Verresen, boursier postdoctoral.
Les anyons non abéliens, connus des physiciens sous le nom de quasi-particules, ne sont mathématiquement possibles que dans un plan 2D. Le qualificatif « quasi » fait référence au fait qu'il ne s'agit pas exactement de particules, mais plutôt d'excitations de longue durée à travers une phase spécifique de la matière (pensez aux vagues océaniques) et qu'elles ont des capacités spéciales de transport de mémoire.
Outre le fait que la création d'une nouvelle phase de la matière est passionnante pour la physique fondamentale, les anyons non abéliens ont été largement reconnus comme une plate-forme potentielle pour l'informatique quantique, ce qui confère aux résultats de la recherche encore plus d'importance.
Les anyons non abéliens sont intrinsèquement stables, contrairement aux bits quantiques, ou qubits, fragiles et sujets aux erreurs, sur d'autres plates-formes informatiques quantiques. Ils peuvent « se souvenir » de leur passé en se déplaçant les uns autour des autres, comme un magicien mélangeant des tasses avec des boules cachées. Cette propriété est également ce qui les rend topologiques, ou capables d'être pliés et tordus sans perdre leur identité fondamentale.
Pour toutes ces raisons, les anyons non-abéliens pourraient un jour fabriquer des qubits idéaux – des unités de puissance de calcul qui s'étendent bien au-delà des ordinateurs classiques d'aujourd'hui – s'ils peuvent être créés et contrôlés à plus grande échelle.
"Une voie très prometteuse vers une informatique quantique stable consiste à utiliser ces types d'états exotiques de la matière comme bits quantiques efficaces et à effectuer des calculs quantiques avec eux", a déclaré Tantivasadakarn. "Ensuite, vous avez atténué dans une large mesure les problèmes liés au bruit."
Les chercheurs ont fait preuve d’une créativité acharnée pour réaliser leur état de matière exotique. Maximisant les capacités du tout nouveau processeur H2 de Quantinuum, l'équipe a commencé avec un réseau de 27 ions piégés. Ils ont utilisé des mesures partielles et ciblées pour augmenter séquentiellement la complexité de leur système quantique, aboutissant ainsi à une fonction d'onde quantique conçue avec les propriétés et caractéristiques exactes des particules qu'ils recherchaient.
"La mesure est l'aspect le plus mystérieux de la mécanique quantique, conduisant à des paradoxes célèbres comme le chat de Schrödinger et à de nombreux débats philosophiques", a déclaré Vishwanath. "Ici, nous avons utilisé les mesures comme outil pour sculpter l'état quantique d'intérêt."
En tant que théoricien, Vishwanath chérit la capacité de passer d’une idée à l’autre et d’applications de la physique sans être lié à une seule plateforme ou technologie. Mais dans le contexte de ce travail, il s'émerveille de pouvoir non seulement explorer une théorie, mais aussi de la démontrer, en particulier alors que le domaine de la mécanique quantique entre dans sa 100e année.
"Au moins pour moi, c'était tout simplement incroyable que tout cela fonctionne et que nous puissions faire quelque chose de très concret", a déclaré Vishwanath. "Cela relie vraiment de nombreux aspects différents de la physique au fil des ans, de la mécanique quantique fondamentale aux idées plus récentes sur ces nouveaux types de particules."
Plus d'informations : Mohsin Iqbal et al, Ordre topologique non-abélien et anyons sur un processeur à ions piégés, Nature (2024). DOI :10.1038/s41586-023-06934-4
Informations sur le journal : Nature
Fourni par Harvard Gazette
Cette histoire est publiée avec l'aimable autorisation de la Harvard Gazette, le journal officiel de l'Université Harvard. Pour plus d'informations sur l'université, visitez Harvard.edu.
