Comprendre les bits quantiques topologiques potentiels

  • Les chercheurs ont examiné une configuration qui pourrait produire des qubits topologiques, une base de calcul plus stable que d'autres configurations.
  • Ils ont découvert qu'un signal valide pour les modes zéro de Majorana, ingrédient clé d'un qubit topologique, peut en fait être un faux signal.
  • Cette découverte est un pas en avant dans la compréhension des nanofils et de leurs signaux expérimentaux.

Les ordinateurs quantiques promettent de grandes avancées dans de nombreux domaines, de la cryptographie à la simulation du repliement des protéines. Pourtant, quel système physique fonctionne le mieux pour construire les bits quantiques sous-jacents reste une issue ouverte. Contrairement aux bits normaux de votre ordinateur, ces soi-disant qubits peuvent non seulement prendre les valeurs et 1, mais aussi des mélanges des deux. Bien que cela les rende potentiellement très utiles, ils deviennent également très instables.

Une approche pour résoudre ce problème mise sur des qubits topologiques qui codent les informations dans leur disposition spatiale. Cela pourrait fournir une base de calcul in addition stable et additionally résistante aux erreurs que d’autres configurations. Le problème est que personne n’a encore trouvé de qubit topologique.

Une équipe internationale de chercheurs d’Autriche, de Copenhague et de Madrid autour de Marco Valentini du groupe Nanoélectronique de l’IST Austria a maintenant examiné une configuration qui devait produire les modes zéro de Majorana, l’ingrédient de foundation d’un qubit topologique. Ils ont découvert qu’un sign valide pour de tels modes peut en fait être un fake drapeau.

La moitié d’un électron

Le dispositif expérimental est composé d’un petit fil d’à peine quelques centaines de nanomètres – quelques millionièmes de millimètre – de very long, développé par Peter Krogstrup de Microsoft Quantum et de l’Université de Copenhague. Ces nanofils appelés de manière appropriée forment une connexion flottante entre deux conducteurs métalliques sur une puce. Ils sont revêtus d’un matériau supraconducteur qui perd toute résistance électrique à très basse température. Le revêtement va jusqu’à une infime partie laissée à une extrémité du fil, qui constitue une partie cruciale de l’installation : la jonction. L’ensemble de l’engin est alors exposé à un champ magnétique.

Les théories des scientifiques ont prédit que les modes zéro de Majorana – la base du qubit topologique qu’ils recherchaient – devraient apparaître dans le nanofil. Ces modes zéro de Majorana sont un phénomène étrange, automobile ils ont commencé comme une astuce mathématique pour décrire un électron dans le fil comme composé de deux moitiés. Habituellement, les physiciens ne considèrent pas les électrons comme quelque chose qui peut être divisé, mais en utilisant cette configuration de nanofils, il aurait dû être achievable de séparer ces “demi-électrons” et de les utiliser comme qubits.

« Nous étions ravis de travailler sur cette plateforme de matériaux très prometteuse », explique Marco Valentini, qui a rejoint l’IST Autriche en tant que stagiaire avant de devenir doctorant dans le groupe Nanoélectronique. “Ce que nous nous attendions à voir, c’était le sign des modes zéro de Majorana dans le nanofil, mais nous n’avons rien trouvé. D’abord, nous étions confus, puis frustrés. Finalement, et en étroite collaboration avec nos collègues de la Théorie des matériaux quantiques et du Stable Condition Quantum Groupe de systems à Madrid, nous avons examiné la configuration et découvert ce qui n’allait pas.”

Un fake drapeau

Après avoir tenté de trouver les signatures des modes zéro de Majorana, les chercheurs ont commencé à faire varier la configuration du nanofil pour vérifier si des effets de son architecture perturbaient leur expérience. “Nous avons fait plusieurs expériences sur différentes configurations pour découvrir ce qui n’allait pas”, explique Valentini. “Cela nous a pris du temps, mais lorsque nous avons doublé la longueur de la jonction non revêtue de cent nanomètres à deux cents, nous avons trouvé notre coupable.”

Lorsque la jonction était suffisamment grande, il s’est produit ce qui suit  : le nanofil intérieur exposé a formé ce qu’on appelle un stage quantique – un minuscule grain de matière qui présente des propriétés mécaniques quantiques spéciales en raison de sa géométrie confinée. Les électrons de ce place quantique pourraient alors interagir avec ceux du supraconducteur de revêtement à côté, et ainsi imiter le sign des “demi-électrons” – les modes zéro de Majorana – que les scientifiques recherchaient.

“Cette summary inattendue est intervenue après que nous ayons établi le modèle théorique de la façon dont la boîte quantique interagit avec le supraconducteur dans un champ magnétique et comparé les données expérimentales avec des simulations détaillées réalisées par Fernando Peñaranda, doctorant dans l’équipe de Madrid”, explique Valentini.

“Confondre ce signal d’imitation avec un method zéro de Majorana nous montre à quel position nous devons être prudents dans nos expériences et dans nos conclusions”, prévient Valentini. “Bien que cela puisse sembler être un pas en arrière dans la recherche des modes zéro de Majorana, il s’agit en réalité d’un pas en avant critical dans la compréhension des nanofils et de leurs signaux expérimentaux. Cette découverte montre que le cycle de découverte et d’examen critique parmi les pairs internationaux est au cœur de la l’avancement des connaissances scientifiques.”