Des chercheurs en physique du MIT ont démontré qu’il est potentiellement possible de créer une forme exotique de matière qui pourrait être utilisée pour développer les qubits (bits quantiques) des futurs ordinateurs quantiques, surpassant ceux en développement aujourd’hui.
Cette recherche s’appuie sur une découverte récente de matériaux qui permettent aux électrons de se diviser en fractions d’eux-mêmes, et ce, sans nécessiter l’application d’un champ magnétique.
Le phénomène de fractionnement électronique a été découvert pour la première fois en 1982 et a valu un prix Nobel. Cependant, cette découverte nécessitait un champ magnétique. La possibilité de créer des électrons fractionnés sans champ magnétique ouvre de nouvelles perspectives pour la recherche fondamentale et rend ces matériaux plus utiles pour diverses applications.
Lorsque les électrons se divisent en fractions, ces fractions sont appelées anyons. Les anyons se déclinent en plusieurs types ou classes. Les anyons découverts dans les matériaux de 2023 sont appelés anyons abéliens. Dans un article publié dans le numéro du 17 octobre de Physical Review Letters, l’équipe du MIT indique qu’il devrait être possible de créer une classe encore plus exotique d’anyons, les anyons non abéliens.
« Les anyons non abéliens ont la fascinante capacité de « se souvenir » de leurs trajectoires spatio-temporelles ; cet effet mémoire pourrait être bénéfique pour l’informatique quantique », explique Liang Fu, professeur au département de physique du MIT et chef de cette recherche.
Fu ajoute que « les expériences de 2023 sur le fractionnement électronique ont largement dépassé les attentes théoriques. Ce que je retiens, c’est que nous, théoriciens, devrions être plus audacieux. »
Fu est également affilié au laboratoire de recherche sur les matériaux du MIT. Ses collègues sur ce projet incluent les étudiants diplômés Aidan P. Reddy et Nisarga Paul, ainsi que le postdoctorant Ahmed Abouelkomsan, tous du département de physique du MIT. Reddy et Paul sont les co-premiers auteurs de l’article dans Physical Review Letters.
Les travaux du MIT et deux études connexes ont également été mis en avant dans un article du 17 octobre dans Physics Review. « Si cette prédiction est confirmée expérimentalement, elle pourrait mener à des ordinateurs quantiques plus fiables, capables d’exécuter une gamme plus large de tâches… Les théoriciens ont déjà envisagé des moyens d’exploiter les états non-abéliens comme qubits et de manipuler les excitations de ces états pour permettre des calculs quantiques robustes », écrit Ryan Wilkinson.
Les recherches actuelles ont été guidées par les récents progrès dans les matériaux 2D, ou ceux constitués d’une ou de quelques couches d’atomes seulement. « Le monde des matériaux bidimensionnels est fascinant car vous pouvez les empiler, les tordre, et jouer avec eux comme des Legos pour obtenir toutes sortes de structures sandwich intéressantes avec des propriétés inhabituelles », explique Paul. Ces structures sont appelées matériaux moirés.
Les anyons ne peuvent se former que dans des matériaux bidimensionnels. Pourraient-ils se former dans des matériaux moirés ? Les expériences de 2023 ont été les premières à montrer que c’est possible. Peu après, un groupe dirigé par Long Ju, professeur adjoint de physique au MIT, a signalé la présence d’anyons dans un autre matériau moiré. (Fu et Reddy ont également participé aux travaux de Ju.)
Dans les recherches en cours, les physiciens ont montré qu’il devrait être possible de créer des anyons non abéliens dans un matériau moiré composé de couches atomiquement minces de ditellurure de molybdène. Selon Paul, « les matériaux moirés ont déjà révélé des phases fascinantes de la matière ces dernières années, et nos travaux montrent que des phases non abéliennes pourraient être ajoutées à cette liste ».
Reddy ajoute : « Nos travaux montrent que lorsque des électrons sont ajoutés à une densité de 3/2 ou 5/2 par cellule unitaire, ils peuvent s’organiser en un état quantique intrigant qui héberge des anyons non abéliens. »
Reddy trouve ce travail passionnant, en partie parce que « il y a souvent de la subtilité dans l’interprétation de vos résultats et de ce qu’ils vous disent réellement. C’était donc amusant de réfléchir à nos arguments » en faveur des anyons non abéliens.
Selon Paul, « ce projet allait de calculs numériques très concrets à une théorie assez abstraite et reliait les deux. J’ai beaucoup appris de mes collaborateurs sur des sujets très intéressants. »
Ce travail a été soutenu par le Bureau de recherche scientifique de l’US Air Force. Les auteurs remercient également le MIT SuperCloud et le Lincoln Laboratory Supercomputing Center, le Kavli Institute for Theoretical Physics, la Fondation Knut et Alice Wallenberg, et la Fondation Simons.
