Des chercheurs font un bond en avant dans l’informatique quantique grâce à une torsion magnétique

Pourtant, les plates-formes qubit dévoilées à ce jour ont un problème commun : elles ont tendance à être délicates et vulnérables aux perturbations extérieures. Même un photon parasite peut causer des problèmes. Développer des qubits tolérants aux pannes – qui seraient à l’abri des perturbations externes – pourrait être la solution ultime à ce défi.

Une équipe dirigée par des scientifiques et des ingénieurs de l’Université de Washington a annoncé une avancée significative dans cette quête. Dans une paire d’articles publiés le 14 juin dans Nature et le 22 juin à Science, ils rapportent que, dans des expériences avec des flocons de matériaux semi-conducteurs – chacun ne comportant qu’une seule couche d’atomes d’épaisseur – ils ont détecté des signatures d’états “de Hall anormal quantique fractionnaire” (FQAH). Les découvertes de l’équipe marquent une première étape prometteuse dans la construction d’un type de qubit tolérant aux pannes, car les états FQAH peuvent héberger n’importe qui – d’étranges “quasiparticules” qui n’ont qu’une fraction de la charge d’un électron. Certains types d’anyons peuvent être utilisés pour créer ce que l’on appelle des qubits “topologiquement protégés”, qui sont stables contre toute petite perturbation locale.

“Cela établit vraiment un nouveau paradigme pour l’étude de la physique quantique avec des excitations fractionnaires à l’avenir”, a déclaré Xiaodong Xu, le chercheur principal à l’origine de ces découvertes, qui est également professeur émérite de physique Boeing et professeur de science et d’ingénierie des matériaux à l’UW. .

Les états FQAH sont liés à l’état Hall quantique fractionnaire, une phase exotique de la matière qui existe dans les systèmes bidimensionnels. Dans ces états, la conductivité électrique est contrainte à des fractions précises d’une constante connue sous le nom de quantum de conductance. Mais les systèmes Hall quantiques fractionnaires nécessitent généralement des champs magnétiques massifs pour les maintenir stables, ce qui les rend peu pratiques pour les applications en informatique quantique. L’état FQAH n’a pas une telle exigence – il est stable même “à champ magnétique nul”, selon l’équipe.

Pour héberger une phase aussi exotique de la matière, les chercheurs ont dû construire un réseau artificiel aux propriétés exotiques. Ils ont empilé deux flocons atomiquement minces du matériau semi-conducteur ditellurure de molybdène (MoTe₂) à de petits angles de “torsion” mutuels les uns par rapport aux autres. Cette configuration formait un “réseau en nid d’abeille” synthétique pour les électrons. Lorsque les chercheurs ont refroidi les tranches empilées à quelques degrés au-dessus du zéro absolu, un magnétisme intrinsèque est apparu dans le système. Le magnétisme intrinsèque prend la place du fort champ magnétique généralement requis pour l’état Hall quantique fractionnaire. En utilisant des lasers comme sondes, les chercheurs ont détecté des signatures de l’effet FQAH, une avancée majeure dans la libération de la puissance des anyons pour l’informatique quantique.

L’équipe – qui comprend également des scientifiques de l’Université de Hong Kong, de l’Institut national des sciences des matériaux au Japon, du Boston College et du Massachusetts Institute of Technology – envisage son système comme une plate-forme puissante pour développer une compréhension plus approfondie des anyons, ce qui ont des propriétés très différentes des particules ordinaires comme les électrons. Les anyons sont des quasi-particules – ou des “excitations” ressemblant à des particules – qui peuvent agir comme des fractions d’électron. Dans des travaux futurs avec leur système expérimental, les chercheurs espèrent découvrir une version encore plus exotique de ce type de quasi-particules : les anyons « non abéliens », qui pourraient être utilisés comme qubits topologiques. Envelopper – ou “tresser” – les anyons non abéliens les uns autour des autres peut générer un état quantique intriqué. Dans cet état quantique, les informations sont essentiellement “réparties” sur l’ensemble du système et résistantes aux perturbations locales – formant la base des qubits topologiques et une avancée majeure par rapport aux capacités des ordinateurs quantiques actuels.

“Ce type de qubit topologique serait fondamentalement différent de ceux qui peuvent être créés maintenant”, a déclaré Eric Anderson, doctorant en physique de l’UW, auteur principal de l’article Science et co-auteur principal de l’article Nature. “Le comportement étrange des anyons non abéliens les rendrait beaucoup plus robustes en tant que plate-forme informatique quantique.”

Trois propriétés clés, qui existaient toutes simultanément dans la configuration expérimentale des chercheurs, ont permis aux états FQAH d’émerger :

• Magnétisme : Bien que MoTe₂ n’est pas un matériau magnétique, lorsqu’ils ont chargé le système de charges positives, un “ordre de spin spontané” – une forme de magnétisme appelée ferromagnétisme – est apparu.
• Topologie : Les charges électriques au sein de leur système ont des “bandes torsadées”, similaires à une bande de Möbius, ce qui contribue à rendre le système topologique.
• Interactions : Les charges au sein de leur système expérimental interagissent suffisamment pour stabiliser l’état FQAH.

L’équipe espère que, grâce à leur approche, des anyons non abéliens attendent d’être découverts.

“Les signatures observées de l’effet Hall anormal quantique fractionnaire sont inspirantes”, a déclaré Jiaqi Cai, doctorant en physique de l’UW, co-auteur principal de l’article Nature et co-auteur de l’article Science. “Les états quantiques fructueux du système peuvent être un laboratoire sur puce pour découvrir une nouvelle physique en deux dimensions, ainsi que de nouveaux dispositifs pour des applications quantiques.”

“Notre travail fournit des preuves claires des états FQAH tant recherchés”, a déclaré Xu, qui est également membre de l’Institut d’ingénierie et des sciences moléculaires, de l’Institut des systèmes nano-ingénieries et de l’Institut de l’énergie propre, tous à l’UW. “Nous travaillons actuellement sur des mesures de transport électrique, qui pourraient fournir des preuves directes et sans ambiguïté d’excitations fractionnaires à champ magnétique nul.”

L’équipe pense qu’avec leur approche, l’étude et la manipulation de ces états FQAH inhabituels peuvent devenir monnaie courante, accélérant ainsi le parcours de l’informatique quantique.

Les co-auteurs supplémentaires des articles sont William Holtzmann et Yinong Zhang du département de physique de l’UW; Di Xiao, Chong Wang, Xiaowei Zhang, Xiaoyu Liu et Ting Cao du Département de science et génie des matériaux de l’UW ; Feng-Ren Fan et Wang Yao de l’Université de Hong Kong et du Joint Institute of Theoretical and Computational Physics de Hong Kong ; Takashi Taniguchi et Kenji Watanabe de l’Institut national des sciences des matériaux au Japon ; Ying Ran du Boston College ; et Liang Fu au MIT. La recherche a été financée par le US Department of Energy, l’Air Force Office of Scientific Research, la National Science Foundation, le Research Grants Council de Hong Kong, la Croucher Foundation, la Tencent Foundation, la Japan Society for the Promotion of Science et le Université de Washington.