Cette représentation artistique montre le fractionnement des électrons – dans lequel des charges en interaction forte peuvent se « fractionner » en trois parties – dans la phase Hall quantique anomale fractionnaire. Crédit : Eric Anderson/Université de Washington
Une équipe dirigée par l’université de Washington a réalisé une percée décisive dans le domaine de l’informatique quantique en détectant des états de Hall anomaux quantiques fractionnaires dans des flocons de matériaux semi-conducteurs, ce qui pourrait permettre de créer des qubits stables et tolérants aux pannes.
L’informatique quantique pourrait révolutionner notre monde. Pour des tâches spécifiques et cruciales, elle promet d’être exponentiellement plus rapide que la technologie binaire zéro ou un qui sous-tend les machines d’aujourd’hui, des superordinateurs dans les laboratoires aux smartphones dans nos poches. Mais le développement des ordinateurs quantiques dépend de la construction d’un réseau stable de qubits – ou bits quantiques – pour stocker l’information, y accéder et effectuer des calculs.
Pourtant, les plateformes de qubits dévoilées à ce jour présentent un problème commun : elles ont tendance à être délicates et vulnérables aux perturbations extérieures. Même un photon égaré peut causer des problèmes. Le développement de qubits tolérants aux pannes – qui seraient immunisés contre les perturbations extérieures – 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 dans Science, ils rapportent que, lors d’expériences avec des flocons de matériaux semi-conducteurs – chacun n’ayant qu’une seule couche d’atomes d’épaisseur – ils ont détecté des signatures d’états de « Hall anomal 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 accueillir des anyons, d’étranges « quasiparticules » qui ne possèdent qu’une fraction de la charge d’un électron. Certains types d’anyons peuvent être utilisés pour fabriquer ce que l’on appelle des qubits « topologiquement protégés », qui sont stables face à toute petite perturbation locale.
« Cela établit réellement 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 le Boeing Distinguished Professor of Physics et un professeur de science et d’ingénierie des matériaux à l’Université du Wisconsin.
Les états FQAH sont liés à l’état de Hall quantique fractionnaire, une phase exotique de la matière qui existe dans les systèmes bidimensionnels. Dans ces états, la conductivité électrique est limitée à des fractions précises d’une constante connue sous le nom de quantum de conductance. Mais les systèmes de Hall quantique fractionnaire nécessitent généralement des champs magnétiques massifs pour rester stables, ce qui les rend impraticables pour des applications en informatique quantique. L’état FQAH n’a pas besoin d’une telle contrainte : il est stable même « à un champ magnétique nul », selon l’équipe.
Pour obtenir 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 ditelluride de molybdène (MoTe2) à de petits angles de « torsion » mutuels l’un par rapport à l’autre. Cette configuration a formé 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. Ce magnétisme intrinsèque remplace le champ magnétique puissant généralement nécessaire à l’état de Hall quantique fractionnaire. En utilisant des lasers comme sondes, les chercheurs ont détecté des signatures de l’effet FQAH, ce qui constitue une avancée majeure dans l’exploitation de la puissance des anyons pour l’informatique quantique.
L’équipe, qui comprend également des scientifiques de l’université de Hong Kong, du National Institute for Materials Science au Japon, du Boston College et du Massachusetts Institute of Technology, considère son système comme une plate-forme puissante permettant de mieux comprendre les anyons, dont les propriétés sont très différentes de celles des particules courantes telles que les électrons. Les anyons sont des quasiparticules – ou des « excitations » semblables à des particules – qui peuvent agir comme des fractions d’un électron. Dans leurs travaux futurs sur leur système expérimental, les chercheurs espèrent découvrir une version encore plus exotique de ce type de quasiparticules : des anyons « non abéliens », qui pourraient être utilisés comme qubits topologiques. Dans cet état quantique, l’information est essentiellement « répartie » sur l’ensemble du système et résiste aux perturbations locales, ce qui constitue 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 aujourd’hui », a déclaré Eric Anderson, doctorant en physique à l’UW, auteur principal de l’article de Science et co-auteur principal de l’article de Nature. « Le comportement étrange des anyons non abéliens les rendrait beaucoup plus robustes en tant que plate-forme d’informatique quantique.
Trois propriétés clés, qui existaient toutes simultanément dans le dispositif expérimental des chercheurs, ont permis l’émergence des états FQAH :
- Le magnétisme : Bien que le MoTe2 ne soit pas un matériau magnétique, lorsque les chercheurs ont chargé le système avec des charges positives, un « ordre de spin spontané » – une forme de magnétisme appelée ferromagnétisme – est apparu.
- Topologie : Les charges électriques de leur système présentent des « bandes torsadées », semblables 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 son approche permettra de découvrir des anyons non abéliens.
« Les signatures observées de l’effet Hall anomal quantique fractionnaire sont inspirantes », a déclaré Jiaqi Cai, doctorant en physique à l’UW, co-auteur principal de l’article de Nature et co-auteur de l’article de Science. « Les états quantiques fructueux du système peuvent constituer un laboratoire sur puce pour la découverte d’une nouvelle physique en deux dimensions, ainsi que de nouveaux dispositifs pour les applications quantiques ».
« Notre travail fournit une preuve claire des états FQAH recherchés depuis longtemps », a déclaré Xu, qui est également membre de l’Institut d’ingénierie et de sciences moléculaires, de l’Institut des systèmes nanotechnologiques 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 des excitations fractionnaires à un champ magnétique nul.
L’équipe pense que, grâce à son approche, l’étude et la manipulation de ces états FQAH inhabituels peuvent devenir monnaie courante, accélérant ainsi le développement de l’informatique quantique.
Références :
« Programming correlated magnetic states with gate-controlled moiré geometry » par Eric Anderson, Feng-Ren Fan, Jiaqi Cai, William Holtzmann, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Di Xiao, Wang Yao et Xiaodong Xu, 22 juin 2023, Science.
DOI : 10.1126/science.adg4268
« Signatures of Fractional Quantum Anomalous Hall States in Twisted MoTe2 » par Jiaqi Cai, Eric Anderson, Chong Wang, Xiaowei Zhang, Xiaoyu Liu, William Holtzmann, Yinong Zhang, Fengren Fan, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Ying Ran, Ting Cao, Liang Fu, Di Xiao, Wang Yao et Xiaodong Xu, 14 juin 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-06289-w
Les autres coauteurs de ces articles sont William Holtzmann et Yinong Zhang du département de physique de l’université de Washington ; Di Xiao, Chong Wang, Xiaowei Zhang, Xiaoyu Liu et Ting Cao du département de science des matériaux et d’ingénierie de l’université de Washington ; 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 du National Institute of Materials Science au Japon ; Ying Ran du Boston College ; et Liang Fu du MIT. La recherche a été financée par le ministère américain de l’énergie, l’Office de la recherche scientifique de l’armée de l’air, la National Science Foundation, le Research Grants Council of Hong Kong, la Croucher Foundation, la Tencent Foundation, la Japan Society for the Promotion of Science et l’université de Washington.
Numéros de subvention :
- Département de l’énergie des États-Unis : DE-SC0018171, DE-SC0019443, DE-SC0012509
- Bureau de la recherche scientifique de l’armée de l’air : FA9550-19-1-0390, FA9550-21-1-0177
- National Science Foundation : DMR-1719797, DGE-2140004
- Conseil des subventions de recherche de Hong Kong : AoE/P-701/20, HKU SRFS2122-7S05
- Société japonaise pour la promotion de la science : 19H05790, 20H00354, 21H05233