L'entrée des ordinateurs quantiques dans la société est actuellement entravée par leur sensibilité aux perturbations dans l'environnement. Des chercheurs de l'Université de technologie de Chalmers en Suède, et de l'Université d'Aalto et de l'Université d'Helsinki en Finlande, présentent désormais un nouveau type de matériel quantique exotique, et une méthode qui utilise le magnétisme pour créer de la stabilité.
Cette percée peut rendre les ordinateurs quantiques beaucoup plus résistants – ouvrir la voie à leur être suffisamment robuste pour lutter contre les calculs quantiques dans la pratique.
L'article, «Modes topologiques zéro et pompage de corrélation dans un réseau Kondo d'ingénierie», est publié dans Lettres d'examen physique.
À l'échelle atomique, les lois de la physique s'écartent de celles de notre monde ordinaire à grande échelle. Là, les particules adhèrent aux lois de la physique quantique, ce qui signifie qu'elles peuvent exister simultanément dans plusieurs états et s'influencer mutuellement d'une manière qui n'est pas possible dans la physique classique.
Ces phénomènes particuliers mais puissants maintiennent la clé de l'informatique quantique et des ordinateurs quantiques, qui ont le potentiel de résoudre des problèmes qu'aucun supercalculateur conventionnel ne peut gérer aujourd'hui.
Mais avant que les calculs quantiques puissent bénéficier à la société dans la pratique, les physiciens doivent résoudre un défi majeur. Les qubits, les unités de base d'un ordinateur quantique, sont extrêmement délicats. Le moindre changement de température, de champ magnétique ou même de vibrations microscopiques entraîne la perte de leurs états quantiques – et donc leur capacité à effectuer des calculs complexes de manière fiable.
Pour résoudre le problème, les chercheurs de ces dernières années ont commencé à explorer la possibilité de créer des matériaux qui peuvent offrir une meilleure protection contre ces types de perturbations et de bruit dans leur structure fondamentale – leur topologie.
Les états quantiques qui surviennent et sont maintenus à travers la structure du matériau utilisé dans les qubits sont appelés « excitations topologiques » et sont nettement plus stables et résilientes que les autres. Cependant, le défi reste de trouver des matériaux qui soutiennent naturellement ces états quantiques aussi robustes.
Le matériel nouvellement développé protège contre les perturbations
Maintenant, une équipe de recherche de l'Université de technologie de Chalmers, de l'Université d'Aalto et de l'Université d'Helsinki a développé un nouveau matériel quantique pour les qubits qui présente des excitations topologiques robustes. La percée est une étape importante vers la réalisation de l'informatique quantique topologique pratique en construisant directement la stabilité dans la conception du matériau.
« Il s'agit d'un tout nouveau type de matériau quantique exotique qui peut maintenir ses propriétés quantiques lorsqu'elles sont exposées à des perturbations externes. Il peut contribuer au développement d'ordinateurs quantiques suffisamment robustes pour lutter contre les calculs quantiques dans la pratique », explique Guangze Chen, chercheur postdoctoral en physique quantique appliquée à Chalmers et auteur principal de l'étude.
Les « matériaux quantiques exotiques » sont un terme parapluie pour plusieurs classes de solides avec des propriétés quantiques extrêmes. La recherche de tels documents, avec des propriétés résilientes spéciales, a été un défi de longue date.
Le magnétisme est la clé de la nouvelle stratégie
Traditionnellement, les chercheurs ont suivi une « recette » bien établie basée sur le « couplage spin-orbite », une interaction quantique qui relie le spin de l'électron à son orbite de mouvement autour du noyau atomique pour créer des excitations topologiques. Cependant, cet « ingrédient » est relativement rare et la méthode ne peut donc être utilisée que sur un nombre limité de matériaux.
Dans l'étude, l'équipe de recherche présente une méthode complètement nouvelle qui utilise le magnétisme – un ingrédient beaucoup plus courant et accessible – pour obtenir le même effet. En exploitant les interactions magnétiques, les chercheurs ont pu concevoir les excitations topologiques robustes requises pour l'informatique quantique topologique.
« L'avantage de notre méthode est que le magnétisme existe naturellement dans de nombreux matériaux. Vous pouvez le comparer à la cuisson avec des ingrédients quotidiens plutôt que d'utiliser des épices rares », explique Chen.
« Cela signifie que nous pouvons désormais rechercher des propriétés topologiques dans un éventail beaucoup plus large de matériaux, y compris ceux qui ont déjà été négligés. »
Ouvrir la voie aux plates-formes informatiques quantiques de nouvelle génération
Pour accélérer la découverte de nouveaux matériaux avec des propriétés topologiques utiles, l'équipe de recherche a également développé un nouvel outil de calcul. L'outil peut calculer directement à quel point un matériau présente un comportement topologique.
« Nous espérons que cette approche peut aider à guider la découverte de nombreux matériaux exotiques », explique Chen. « En fin de compte, cela peut conduire à des plates-formes informatiques quantiques de nouvelle génération, construites sur des matériaux qui sont naturellement résistants au type de perturbations qui affligent les systèmes de courant. »
