En fabriquant une étrange sorte de cristal de temps, les physiciens visent à mettre au point un ordinateur quantique non seulement plus fiable, mais aussi beaucoup plus léger que tout ce qui est actuellement en cours de développement
les quasi-particules appelées cristaux de temps et fermions de Majorana ont fait les gros titres ces dernières années parce qu’elles sont toutes deux incroyablement bizarres. Les réunir pour créer un ordinateur quantique semble donc être le mariage parfait.
L’union théorique de ces phénomènes fascinants a été proposée par des physiciens de l’université nationale de Singapour, qui ont reconnu entre eux des similitudes pouvant être exploitées dans ce que l’on appelle un ordinateur quantique topologique.
Il y a suffisamment de jargon ici pour remplir un épisode entier de Star Trek, nous allons donc devoir les séparer avant d’examiner pourquoi cette idée est si intéressante.
Tout d’abord, les cristaux temporels ressemblent aux cristaux ordinaires, car ils sont basés sur des unités répétitives. Plutôt que de s’étendre dans les trois dimensions de l’espace, ils se répètent dans le temps.
Ce qui est vraiment étrange, c’est que cette résonance dans les mouvements des particules ne repose pas sur une source d’énergie constante. Mais avant que vous ne vous mettiez à crier “machine à mouvement perpétuel”, les cristaux de temps ne peuvent pas être exploités comme source d’énergie gratuite, ils n’enfreignent donc aucune règle.
Néanmoins, ce “tic-tac” pourrait jouer un rôle dans le stockage des informations en les transformant en ce que les physiciens appellent des “états magiques”.
C’est là que les fermions de Majorana entrent en jeu.
Proposées il y a environ 80 ans par le physicien théoricien Enrico Majorana, ces particules élémentaires hypothétiques sont leur propre antiparticule.
Plus précisément, il s’agit d’un type de fermion – des particules qui sont techniquement classées comme possédant un demi spin. Pour la plupart d’entre nous qui ne sont pas familiers avec les détails techniques, elles sont les gros morceaux qui composent les atomes.
Malgré près d’un siècle de recherches, nous n’avons pas réussi à trouver dans la nature l’une des particules spéciales d’Enrico, mais nous disposons de ce qui s’en rapproche le plus : des électrons qui travaillent ensemble de telle manière que leur comportement collectif produit quelque chose qui ressemble à un fermion de Majorana.
Les fermions de Majorana – ou plutôt leurs homologues quasi-particulaires – peuvent être amenés à se déplacer en torsion de manière assez unique lorsqu’ils descendent le long d’un conducteur. Ce mouvement de “tresse” en fait un candidat parfait pour la version topologique d’un ordinateur quantique.
Alors qu’une machine quantique ordinaire s’appuie sur l’état indécis d’une particule – comme son spin potentiel – pour former son composant clé, un ordinateur quantique topologique utilise plutôt ces tresses torsadées.
“Au sens large, le tressage consiste à échanger l’emplacement de deux particules”, explique le physicien Jiangbin Gong à Phys.org.
“Nous savons dans la vie réelle qu’il existe différents types de tresses, et que la conversion d’une tresse en une autre nécessite certaines opérations que la nature ne peut pas faire par elle-même.”
Les tresses ne souffrent pas du même type de fragilité que les autres états quantiques, ce qui les rend attrayantes comme base de l’informatique quantique. L’astuce consiste à exploiter ces fermions de Majorana de manière à construire un dispositif fonctionnel.
Les chercheurs ont parcouru un chemin solide ces dernières années, mais nous sommes encore loin de les voir devenir un choix compétitif.
La fabrication de ces fermions de Majorana tordus à partir de cristaux temporels pourrait constituer une nouvelle option alléchante.
Les chercheurs ont modélisé le comportement d’un réseau de particules se comportant comme un cristal de temps en envoyant des électrons le long de leur bord sous la forme de quasi-particules de Majorana.
La manipulation de ces particules spéciales les a fait agir comme s’ils tressaient, permettant des états qui pourraient être la base des opérations dans un ordinateur quantique universel.
“Le tressage des cristaux de temps est potentiellement utile pour l’informatique quantique, car nous exploitons leurs caractéristiques dans le domaine temporel et obtenons ainsi davantage de qubits pour coder l’information”, explique M. Gong.
Plus de qubits, c’est moins de matériel, ce qui, associé à un processus moins sujet aux erreurs, rend ces ordinateurs quantiques topologiques à cristaux de temps très attrayants.
La prochaine étape pour les chercheurs consiste à explorer les moyens d’accélérer le processus, en transformant les tresses en un réseau de fils pour créer des motifs plus complexes.
Nous espérons qu’il s’agira d’un mariage fructueux, bien que bizarre.
Cette recherche a été publiée dans Physical Review Letters.