Un nouveau matériau pourrait offrir la clé pour résoudre le problème de l’informatique quantique

Les chercheurs étaient dirigés par une équipe faisant partie du Penn State Center for Nanoscale Science (CNS), l’un des 19 centres de recherche sur les matériaux et l’ingénierie (MRSEC) aux États-Unis financés par la National Science Foundation. Leur travail a été publié le 13 février dans Matériaux naturels.

Un ordinateur ordinaire se compose de milliards de transistors, appelés bits, et est régi par un code binaire (« 0 » = désactivé et « 1 » = activé). Un bit quantique, également connu sous le nom de qubit, est basé sur la mécanique quantique et peut être à la fois un “0” et un “1” en même temps. Ceci est connu sous le nom de superposition et peut permettre aux ordinateurs quantiques d’être plus puissants que les ordinateurs classiques classiques.

Il y a cependant un problème avec la construction d’un ordinateur quantique.

“IBM, Google et d’autres essaient de fabriquer et de développer des ordinateurs quantiques basés sur des qubits supraconducteurs”, a déclaré Jun Zhu, professeur de physique à Penn State et auteur correspondant de l’étude. “Comment minimiser l’effet négatif d’un environnement classique, qui provoque des erreurs dans le fonctionnement d’un ordinateur quantique, est un problème clé en informatique quantique.”

Une solution à ce problème peut être trouvée dans une version exotique d’un qubit connu sous le nom de qubit topologique.

“Les Qubits basés sur des supraconducteurs topologiques devraient être protégés par l’aspect topologique de la supraconductivité et donc plus robustes contre les effets destructeurs de l’environnement”, a déclaré Zhu.

Un qubit topologique se rapporte à la topologie en mathématiques, où une structure subit des changements physiques tels que la flexion ou l’étirement, et conserve toujours les propriétés de sa forme d’origine. Il s’agit d’un type théorique de qubit qui n’a pas encore été réalisé, mais l’idée de base est que les propriétés topologiques de certains matériaux peuvent empêcher l’état quantique d’être perturbé par l’environnement classique.

On se concentre actuellement beaucoup sur l’informatique quantique topologique, selon Cequn Li, étudiant diplômé en physique et premier auteur de l’étude.

“L’informatique quantique est un sujet très brûlant et les gens réfléchissent à la manière de construire un ordinateur quantique avec moins d’erreurs de calcul”, a déclaré Li. “Un ordinateur quantique topologique est un moyen attrayant de le faire. Mais une clé de l’informatique quantique topologique est de développer les bons matériaux pour cela.”

Les chercheurs de l’étude ont fait un pas dans cette direction en développant un type de matériau en couches appelé hétérostructure. L’hétérostructure étudiée est constituée d’une couche d’un matériau isolant topologique, le tellurure de bismuth et d’antimoine ou (Bi,Sb)2Te3, et d’une couche de matériau supraconducteur, le gallium.

“Nous avons développé une technique de mesure spéciale pour sonder la supraconductivité induite par la proximité à la surface du film (Bi,Sb)2Te3”, a déclaré Zhu. “La supraconductivité induite par la proximité est un mécanisme clé pour réaliser un supraconducteur topologique. Nos travaux ont montré qu’elle se produit bien à la surface du film (Bi,Sb)2Te3. C’est un premier pas vers la réalisation d’un supraconducteur topologique.”

Cependant, une telle hétérostructure topologique isolant/supraconducteur est difficile à réaliser.

“Ce n’est généralement pas facile parce que différents matériaux ont des structures de réseau différentes”, a déclaré Li. “De plus, si vous assemblez deux matériaux, ils peuvent réagir chimiquement l’un avec l’autre et vous vous retrouvez avec une interface désordonnée.”

Les chercheurs utilisent donc une technique de synthèse connue sous le nom d’hétéroépitaxie par confinement, qui est explorée au MRSEC. Il s’agit d’intercaler une couche de graphène épitaxié, feuillet d’atomes de carbone d’un ou deux atomes d’épaisseur, entre la couche de gallium et la couche de (Bi, Sb)2Te3. Li note que cela permet aux couches de s’interfacer et de se combiner, comme en cassant des blocs Lego ensemble.

“Le graphène sépare ces deux matériaux et agit comme une barrière chimique”, a déclaré Li. “Donc, il n’y a pas de réaction entre eux, et on se retrouve avec une très belle interface.”

De plus, les chercheurs ont démontré que cette technique est évolutive au niveau de la tranche, ce qui en ferait une option intéressante pour l’informatique quantique future. Une plaquette est une tranche ronde de matériau semi-conducteur qui sert de substrat pour la microélectronique.

“Notre hétérostructure possède tous les éléments d’un supraconducteur topologique, mais peut-être plus important encore, c’est un film mince et potentiellement évolutif”, a déclaré Li. “Ainsi, un film mince à l’échelle d’une tranche a un grand potentiel pour de futures applications, telles que la construction d’un ordinateur quantique topologique.”

Cette recherche était un effort combiné de l’équipe IRG1 — 2D Polar Metals and Heterostructures du CNS, dirigée par Zhu et Joshua Robinson, professeur de science et d’ingénierie des matériaux à Penn State. Parmi les autres professeurs impliqués dans la recherche, citons Cui-Zu Chang, professeur de début de carrière Henry W. Knerr et professeur agrégé de physique, et Danielle Reifsnyder Hickey, professeure adjointe de chimie et de science et génie des matériaux.

“Ce fut un travail d’équipe remarquable de la part de l’équipe IRG1 de notre MRSEC”, a déclaré Zhu. “Le groupe Robinson a développé le film de gallium à deux couches atomiques en utilisant l’hétéroépitaxie de confinement, le groupe Chang a développé le film isolant topologique en utilisant l’épitaxie par faisceau moléculaire, et le groupe Reifsnyder Hickey et le personnel de l’Institut de recherche sur les matériaux ont effectué une caractérisation à l’échelle atomique de l’hétérostructure et des dispositifs.”

La prochaine étape consiste à perfectionner le processus et à franchir une étape encore plus importante vers la réalisation d’un ordinateur quantique topologique.

“Le matériau est essentiel, nos collaborateurs essaient donc d’améliorer le matériau”, a déclaré Li. “Cela signifie une meilleure uniformité et une meilleure qualité. Et notre groupe essaie de fabriquer des dispositifs plus avancés sur ce type d’hétérostructures pour sonder les signatures de la supraconductivité topologique.”

Avec Li, Zhu, Reifsnyder Hickey, Robinson et Chang, d’autres auteurs de l’étude de Penn State incluent Yi-Fan Zhao, Alexander Vera, Hemian Yi, Shalani Kumari, Zijie Yan, Chengye Dong, Timothy Bowen, Ke Wang, Haiying Wang et Jessica L. Thompson. Les auteurs de l’Institut Weizmann des sciences de Rehovot, en Israël, incluent Omri Lesser et Yuval Oreg. Les auteurs de l’Institut national des sciences des matériaux de Tsukuba, au Japon, incluent Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi.

Le financement de l’étude a été fourni par la National Science Foundation via le programme MRSEC.