30 Mar La mémoire des particules
Les scientifiques de l’Institut Weizmann découvrent de nouvelles preuves de l’existence d’un système de particules qui « se souvient » de ses états quantiques antérieurs – une avancée significative vers le développement d’un ordinateur quantique tolérant aux pannes.
À l’avenir, les ordinateurs quantiques devraient permettre de résoudre des problèmes autrefois considérés comme insolubles, qu’il s’agisse de prédire le déroulement de réactions chimiques ou d’établir des prévisions météorologiques hautement fiables. Pour l’instant, cependant, ils restent extrêmement sensibles aux perturbations environnementales et sujets à la perte d’informations. Une nouvelle étude du laboratoire du Dr Yuval Ronen à l’Institut Weizmann des Sciences, publiée dans Nature, présente de nouvelles preuves de l’existence d’anyons non abéliens, des particules exotiques considérées comme les principales candidates pour la construction d’un ordinateur quantique tolérant aux pannes. Ces preuves ont été obtenues à partir de graphène bicouche, un cristal de carbone ultrafin au comportement électronique inhabituel.
(g-d) rang arrière: Prof. David F. Mross, Dr. Yuval Ronen and Prof. Ady Stern; rang avant: Amit Shaer, Dr. Jehyun Kim and Himanshu Dev
En mécanique quantique, les particules se comportent également comme des ondes, et leurs propriétés sont décrites par une fonction d’onde, qui peut représenter l’état d’une seule particule ou d’un système de particules. Les physiciens classent les particules en fonction de la manière dont la fonction d’onde de deux particules identiques change lorsqu’elles échangent leurs places. Jusqu’aux années 1980, seuls deux types de particules étaient connus : les bosons (tels que les photons), dont la fonction d’onde reste inchangée lorsqu’ils échangent leurs places, et les fermions (tels que les électrons), dont la fonction d’onde s’inverse.
En 1982, cependant, les scientifiques ont découvert un nouvel état de la matière qui permettait l’existence d’un troisième type de particules, qui n’existe pas à l’état naturel. Lorsque ces particules échangent leurs positions, leur fonction d’onde peut pivoter selon un angle compris entre 0 et 180 degrés, d’où leur nom, « anyons », dérivé du mot « any » (n’importe quel).
Les anyons n’apparaissent que dans des conditions extrêmes : à des températures proches du zéro absolu, en présence d’un champ magnétique puissant et d’interactions interparticulaires fortes, et uniquement dans des systèmes bidimensionnels : des matériaux ultra-minces où le mouvement vertical est impossible. Dans ces conditions, les électrons du matériau cessent de se comporter comme des particules entières et agissent plutôt comme des fractions d’électrons, les anyons.
Selon la théorie, il existe deux types d’anyons. Dans les anyons abéliens, l’échange de places ajoute seulement une phase à la fonction d’onde ; dans les anyons non abéliens, l’échange ajoute non seulement une phase à la fonction d’onde, mais modifie également sa forme. Les électrons fractionnaires avec un dénominateur impair (comme un tiers d’électron) sont des anyons abéliens, tandis que ceux avec un dénominateur pair (comme un quart d’électron) sont considérés comme non abéliens.
Expérience d’interférence quantique observée au microscope électronique. L’utilisation de graphène bicouche a permis aux scientifiques de contrôler la trajectoire (en rouge) d’un anyon dans le matériau. Son onde a été amenée à encercler une île contenant un champ magnétique et d’autres anyons (en vert), puis à se recombiner avec l’onde d’origine afin d’étudier ses propriétés. Des portes électriques (en gris foncé) ont permis aux scientifiques d’acheminer les anyons le long de chemins définis dans le matériau et de contrôler la densité électronique au sein de l’île.
« Dans les anyons non abéliens, l’échange de positions laisse une empreinte sur la forme de la fonction d’onde », explique Ronen. « Si nous prenons trois anyons non abéliens et que nous échangeons le premier avec le deuxième, puis le deuxième avec le troisième, nous obtenons une fonction d’onde dont la forme est très différente de celle que nous obtiendrions si nous les avions échangés dans un autre ordre. Cela permet d’encoder et de stocker des informations, l’une des conditions essentielles à la construction d’un ordinateur quantique. »
« Dans certains modèles existants », ajoute-t-il, « les qubits – les unités d’information de base dans un ordinateur quantique – sont des particules individuelles, sensibles au bruit environnemental. Dans les anyons non abéliens, les informations relatives à l’ordre des échanges ne sont pas stockées localement, mais dans la fonction d’onde de l’ensemble du système. Les systèmes dont les propriétés essentielles sont préservées à ce niveau sont résistants aux perturbations locales. Ces systèmes sont dits topologiques et constituent l’une des voies les plus prometteuses vers un calcul quantique fiable. »
Bien que les scientifiques aient récemment réussi à mesurer des anions abéliens, les anions non-abéliens non pas encore été directement observés.
De l’optique Classique au « quantum computing »
Dans cette nouvelle étude, menée par le Dr Jehyun Kim et Himanshu Dev, membres du groupe du docteur Ronen au Département de Physique de la Matière Condensée de l’Institut Weizmann, les chercheurs ont utilisé du graphène bicouche, une sorte de sandwich composé de deux couches de carbone de l’épaisseur d’un atome, disposées en nid d’abeille. Dans ce matériau récemment développé, les conditions propices à l’apparition d’anyons non abéliens sont stables, et les scientifiques peuvent contrôler avec précision les trajectoires des anyons.
L’expérience de Weizmann s’inspire d’un célèbre dispositif optique du XIXe siècle dans lequel un faisceau lumineux est piégé entre deux miroirs. Chaque fois que le faisceau frappe et rebondit sur l’un des miroirs, sa fonction d’onde pivote d’un certain angle, ou phase. Tant que le faisceau réfléchi n’est pas synchronisé avec le faisceau d’origine, ils s’annulent mutuellement, produisant une lumière faible. Après plusieurs réflexions, la fonction d’onde effectue une rotation complète et revient à sa phase d’origine, de sorte que les faisceaux se synchronisent et produisent une lumière vive. Cela crée un motif d’interférence composé de bandes claires et sombres alternées, à partir duquel les physiciens peuvent déduire les propriétés de l’onde lumineuse d’origine piégée entre les deux miroirs.
Le motif d’interférence obtenu lorsqu’une onde anyonique encercle une île contenant un champ magnétique, puis rencontre l’onde d’origine. La pente des lignes indiquait qu’une charge équivalente à la moitié d’un électron orbitait autour de l’île.
Dans la version quantique de cette expérience, les chercheurs ont d’abord réglé les électrons du graphène bicouche dans un état susceptible d’accueillir des anyons non abéliens. Ils ont ensuite créé un circuit en boucle dans lequel l’onde d’un anyon encerclait un îlot contenant d’autres anyons et un champ magnétique, avant de revenir à sa vague d’origine.
Au cours de la première étape, les chercheurs ont uniquement examiné comment le champ magnétique affectait la phase de l’anyon en orbite. À chaque révolution, la phase de l’onde de retour changeait sous l’influence du champ magnétique, et lorsqu’elle rencontrait l’onde d’origine, elles s’annulaient ou se renforçaient mutuellement. Comme dans l’expérience optique, cela produisait un motif d’interférence, mais ici, le motif consistait en des bandes alternées de résistance électrique élevée et faible, à partir desquelles les propriétés de l’anyon environnant pouvaient être déduites.
« Dans notre expérience, nous avons réussi à mesurer un électron fractionnaire avec un dénominateur pair », explique le docteur Ronen. « Contrairement à l’hypothèse dominante selon laquelle les anyons non abéliens transportent un quart de la charge d’un électron, nous avons été surpris de constater qu’une onde correspondant à la moitié d’un électron orbitait autour de l’îlot. Après des expériences supplémentaires, nous estimons que cela se produit parce que deux anyons non abéliens tournent ensemble autour de l’îlot, bien que nous n’ayons pas encore réussi à les séparer. Cela représente néanmoins une étape importante vers l’identification et la mesure directes des anyons non abéliens, et nous travaillons actuellement à les isoler. »
Les chercheurs ont ensuite mené une autre expérience afin de caractériser les particules à l’intérieur de l’îlot, qui interagissent avec la particule en orbite. En faisant varier la densité électronique au sein de l’îlot et en examinant comment cela affectait la fonction d’onde de l’anyon en orbite, et donc le motif d’interférence, ils ont pu déduire les propriétés des particules de l’îlot. Les changements dans la pente des lignes d’interférence ont indiqué que les particules internes portaient une charge d’un quart d’électron, comme prévu pour les anyons non abéliens. Cela correspondait aux expériences de tunneling menées précédemment dans le laboratoire du professeur Moty Heiblum, également à l’Institut Weizmann.
« Nous avons démontré que le graphène bicouche héberge presque certainement des particules qui sont des anyons non abéliens », conclut le docteur Ronen. « La prochaine étape consiste à observer directement la « mémoire » d’un système d’anyons non abéliens, en d’autres termes, à mesurer comment chaque ordre d’échanges de particules laisse une signature unique dans la fonction d’onde. Les ordinateurs quantiques actuels sont encore limités à des applications de recherche restreintes, et pour devenir vraiment utiles, ils doivent être fiables. Notre étude permet aux scientifiques de faire un pas de plus vers le développement d’ordinateurs quantiques tolérants aux pannes. »
La Science en Chiffres
Pour décrire l’état quantique de seulement 300 qubits, c’est-à-dire pour stocker toutes les informations qu’ils contiennent, un ordinateur classique devrait contenir plus de 34 quintillions de nombres complexes.
