Vers des ordinateurs quantiques compacts grâce à la topologie

Des chercheurs du PSI ont comparé la distribution des électrons sous la couche d’oxyde de deux semi-conducteurs. La recherche s’inscrit dans le cadre d’un effort visant à développer des bits quantiques particulièrement stables, et donc, à leur tour, des ordinateurs quantiques particulièrement efficaces. Ils ont maintenant publié leurs dernières recherches, partiellement soutenues par Microsoft, dans la revue Technologies quantiques avancées.

À ce stade, l’avenir de l’informatique est inconcevable sans ordinateurs quantiques. Pour la plupart, ceux-ci sont encore en phase de recherche. Ils promettent d’accélérer certains calculs et simulations de plusieurs ordres de grandeur par rapport aux ordinateurs classiques.

Les bits quantiques, ou qubits en abrégé, constituent la base des ordinateurs quantiques. Les bits quantiques dits topologiques sont un nouveau type qui pourrait s’avérer supérieur. Pour savoir comment ils pourraient être créés, une équipe internationale de chercheurs a effectué des mesures sur Swiss Light Source SLS au PSI.

Bits quantiques plus stables

“Les bits informatiques qui suivent les lois de la mécanique quantique peuvent être obtenus de différentes manières”, explique Niels Schröter, l’un des auteurs de l’étude. Il a été chercheur au PSI jusqu’en avril 2021, date à laquelle il a rejoint l’Institut Max Planck de physique des microstructures à Halle, en Allemagne. “Malheureusement, la plupart des types de qubits perdent rapidement leurs informations ; on pourrait dire qu’il s’agit de qubits oublieux.” Il existe une solution technique à cela : chaque qubit est sauvegardé avec un système de qubits supplémentaires qui corrigent les erreurs qui se produisent. Mais cela signifie que le nombre total de qubits nécessaires pour un ordinateur quantique fonctionnel se compte rapidement en millions.

“L’approche de Microsoft, sur laquelle nous collaborons maintenant, est assez différente”, poursuit Schröter. “Nous voulons aider à créer un nouveau type de qubit qui est à l’abri des fuites d’informations. Cela nous permettrait d’utiliser seulement quelques qubits pour obtenir un ordinateur quantique fin et fonctionnel.”

Les chercheurs espèrent obtenir une telle immunité avec des bits quantiques dits topologiques. Ce serait quelque chose de complètement nouveau qu’aucun groupe de recherche n’a encore été capable de créer.

Les matériaux topologiques sont devenus plus connus grâce au prix Nobel de physique en 2016. La topologie est à l’origine un domaine des mathématiques qui explore, entre autres, le comportement des objets géométriques lorsqu’ils sont déformés. Cependant, le langage mathématique développé pour cela peut également être appliqué à d’autres propriétés physiques des matériaux. Les bits quantiques dans les matériaux topologiques seraient alors des qubits topologiques.

Quasiparticules dans les nanofils semi-conducteurs

On sait que les systèmes à couches minces de certains semi-conducteurs et supraconducteurs pourraient conduire à des états électroniques exotiques qui agissent comme de tels qubits topologiques. En effet, des fils courts ultra-fins en matériau semi-conducteur pourraient être envisagés à cet effet. Ceux-ci ont un diamètre de seulement 100 nanomètres et une longueur de 1 000 nanomètres (soit 0,0001 centimètre). Sur leur surface extérieure, dans le sens longitudinal, la moitié supérieure des fils est recouverte d’une fine couche d’un supraconducteur. Le reste du fil n’est pas enrobé, une couche d’oxyde naturel s’y forme donc. Des simulations informatiques pour optimiser ces composants prédisent que les états électroniques cruciaux de la mécanique quantique ne se situent qu’à l’interface entre le semi-conducteur et le supraconducteur et non entre le semi-conducteur et sa couche d’oxyde.

“La distribution collective et asymétrique des électrons générés dans ces nanofils peut être décrite physiquement comme des quasi-particules”, explique Gabriel Aeppli, chef de la division Photon Science au PSI, qui a également participé à l’étude actuelle. “Maintenant, si des matériaux semi-conducteurs et supraconducteurs appropriés sont choisis, ces électrons devraient donner naissance à des quasi-particules spéciales appelées fermions de Majorana aux extrémités des nanofils.”

Les fermions de Majorana sont des états topologiques. Ainsi, ils pourraient agir comme des supports d’informations, par exemple comme des bits quantiques dans un ordinateur quantique. “Au cours de la dernière décennie, les recettes de création des fermions de Majorana ont déjà été étudiées et affinées par des groupes de recherche du monde entier”, poursuit Aeppli. “Mais poursuivons avec l’analogie : nous ne savions toujours pas quel pot nous donnerait les meilleurs résultats pour cette recette.”

L’antimoniure d’indium a l’avantage

Par conséquent, une préoccupation centrale du projet de recherche actuel était la comparaison de deux “marmites”. Les chercheurs ont étudié deux semi-conducteurs différents et leur couche d’oxyde naturelle : d’une part l’arséniure d’indium et d’autre part l’antimoniure d’indium.

Dans SLS, les chercheurs du PSI ont utilisé une méthode de recherche appelée spectroscopie de photoélectrons à résolution angulaire des rayons X mous, en abrégé SX-ARPES. Un nouveau modèle informatique développé par le groupe de Noa Marom à l’Université Carnegie Mellon aux États-Unis, en collaboration avec Vladimir Strocov du PSI, a été utilisé pour interpréter les données expérimentales complexes. “Les modèles informatiques utilisés jusqu’à présent ont conduit à un nombre incontrôlable de faux résultats. Grâce à notre nouvelle méthode, nous pouvons désormais voir tous les résultats, filtrer automatiquement ceux qui sont physiquement pertinents et interpréter correctement le résultat expérimental”, explique Strocov. .

Grâce à leur combinaison d’expériences SX-ARPES et de modélisation informatique, les chercheurs ont maintenant pu montrer que l’antimoniure d’indium a une densité électronique particulièrement faible sous sa couche d’oxyde. Cela serait avantageux pour la formation de fermions de Majorana topologiques dans les nanofils prévus.

« Du point de vue de la répartition des électrons sous la couche d’oxyde, l’antimoniure d’indium est donc plus adapté que l’arséniure d’indium pour servir de matériau porteur pour les bits quantiques topologiques », conclut Niels Schröter. Cependant, il souligne que dans la recherche des meilleurs matériaux pour un ordinateur quantique topologique, d’autres avantages et inconvénients doivent certainement être pesés. “Nos méthodes spectroscopiques avancées joueront certainement un rôle déterminant dans la recherche de matériaux informatiques quantiques”, déclare Strocov. “Le PSI fait actuellement de grands progrès pour développer la recherche et l’ingénierie quantiques en Suisse, et SLS en est un élément essentiel.”