Les scientifiques du monde entier développent de nouveaux matériels pour les ordinateurs quantiques, un nouveau type de dispositif qui pourrait accélérer la conception de médicaments, modélisation financière, et les prévisions météorologiques. Ces ordinateurs reposent sur des qubits, morceaux de matière qui peuvent représenter une combinaison de 1 et 0 simultanément. Le problème est que les qubits sont inconstants, se dégradant en bits réguliers lorsque les interactions avec la matière environnante interfèrent. Mais de nouvelles recherches au MIT suggèrent un moyen de protéger leurs États, en utilisant un phénomène appelé localisation à plusieurs corps (MBL).

MBL est une phase particulière de la matière, proposé il y a des décennies, c'est différent du solide ou du liquide. Typiquement, la matière arrive à l'équilibre thermique avec son environnement. C'est pourquoi la soupe refroidit et les glaçons fondent. Mais en MBL, un objet constitué de nombreux corps en interaction forte, comme les atomes, n'atteint jamais un tel équilibre. Chaleur, comme le son, se compose de vibrations atomiques collectives et peut voyager par ondes; un objet a toujours de telles vagues de chaleur à l'intérieur. Mais quand il y a assez de désordre et assez d'interaction dans la façon dont ses atomes sont arrangés, les vagues peuvent être piégées, empêchant ainsi l'objet d'atteindre l'équilibre.

La MBL avait été démontrée dans des « réseaux optiques, " des arrangements d'atomes à des températures très froides maintenus en place à l'aide de lasers. Mais de telles configurations sont peu pratiques. MBL avait également sans doute été montré dans des systèmes solides, mais seulement avec des dynamiques temporelles très lentes, dans laquelle l'existence de la phase est difficile à prouver car l'équilibre pourrait être atteint si les chercheurs pouvaient attendre assez longtemps. La recherche du MIT a trouvé des signatures de MBL dans un système "à l'état solide" - un système composé de semi-conducteurs - qui aurait autrement atteint l'équilibre au moment où il a été observé.

"Cela pourrait ouvrir un nouveau chapitre dans l'étude de la dynamique quantique, " dit Rahul Nandkishore, un physicien à l'Université du Colorado à Boulder, qui n'a pas participé aux travaux.

Mingda Li, le professeur assistant Norman C Rasmussen en sciences et ingénierie nucléaires au MIT, a dirigé la nouvelle étude, publié dans un récent numéro de Lettres nano . Les chercheurs ont construit un système contenant des couches semi-conductrices alternées, créer une lasagne microscopique à l'arséniure d'aluminium, suivi de l'arséniure de gallium, etc, pour 600 couches, chacun 3 nanomètres (millionièmes de millimètre) d'épaisseur. Entre les couches, ils ont dispersé des "nanodots, " particules de 2 nanomètres d'arséniure d'erbium, pour créer du désordre. Les lasagnes, ou "super-réseau, " se déclinait en trois recettes :une sans nanopoints, un dans lequel les nanodots couvraient 8 pour cent de la surface de chaque couche, et un dans lequel ils ont couvert 25 pour cent.

Selon Li, l'équipe a utilisé des couches de matériau, au lieu d'un matériau en vrac, pour simplifier le système afin que la dissipation de la chaleur à travers les plans soit essentiellement unidimensionnelle. Et ils ont utilisé des nanopoints, au lieu de simples impuretés chimiques, pour faire monter le désordre.

Pour mesurer si ces systèmes désordonnés restent toujours en équilibre, les chercheurs les ont mesurés avec des rayons X. En utilisant la source avancée de photons du laboratoire national d'Argonne, ils ont tiré des faisceaux de rayonnement à une énergie de plus de 20, 000 électrons-volts, et pour résoudre la différence d'énergie entre le rayon X entrant et après sa réflexion sur la surface de l'échantillon, avec une résolution en énergie inférieure à un millième d'électron-volt. Pour éviter de pénétrer le super-réseau et de heurter le substrat sous-jacent, ils l'ont tourné à un angle d'à peine un demi-degré par rapport au parallèle.

Tout comme la lumière peut être mesurée sous forme d'ondes ou de particules, aussi peut chauffer. La vibration atomique collective pour la chaleur sous la forme d'une unité caloporteuse est appelée phonon. Les rayons X interagissent avec ces phonons, et en mesurant la réflexion des rayons X sur l'échantillon, les expérimentateurs peuvent déterminer s'il est en équilibre.

Les chercheurs ont découvert que lorsque le super-réseau était froid—30 kelvin, environ -400 degrés Fahrenheit - et il contenait des nanopoints, ses phonons à certaines fréquences sont restés n'étaient pas en équilibre.

Il reste encore du travail pour prouver de manière concluante que la MBL a été atteinte, mais "cette nouvelle phase quantique peut ouvrir une toute nouvelle plate-forme pour explorer les phénomènes quantiques, " Li dit, "avec de nombreuses applications potentielles, du stockage thermique à l'informatique quantique."

Pour créer des qubits, certains ordinateurs quantiques utilisent des particules de matière appelées points quantiques. Li dit que des points quantiques similaires aux nanopoints de Li pourraient agir comme des qubits. Les aimants pouvaient lire ou écrire leurs états quantiques, tandis que la localisation à plusieurs corps les maintiendrait isolés de la chaleur et d'autres facteurs environnementaux.

En termes de stockage thermique, un tel super-réseau pourrait entrer et sortir d'une phase MBL en contrôlant magnétiquement les nanopoints. Cela pourrait isoler les pièces de l'ordinateur de la chaleur à un moment donné, puis laissez les pièces disperser la chaleur lorsqu'elle ne causera pas de dommages. Ou cela pourrait permettre à la chaleur de s'accumuler et d'être exploitée plus tard pour produire de l'électricité.

Idéalement, des super-réseaux avec des nanopoints peuvent être construits en utilisant des techniques traditionnelles de fabrication de semi-conducteurs, aux côtés d'autres éléments de puces informatiques. Selon Li, "C'est un espace de conception beaucoup plus grand qu'avec le dopage chimique, et les applications sont nombreuses."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.