Il y a près de 80 ans, un physicien italien a proposé qu’une particule puisse exister à la fois comme matière et comme antimatière. Appelé fermion de Majorana, ce mystérieux état de la matière a déclenché une chasse qui a duré des décennies, et les scientifiques ont trouvé la première preuve réelle de son existence au début de cette année.
Aujourd’hui, des physiciens chinois ont découvert qu’un type insaisissable de quasi-particule peut se comporter exactement comme un fermion de Majorana, et cela pourrait nous aider à comprendre enfin ce phénomène incroyablement étrange.
Si vous n’êtes pas familier avec le fermion de Majorana, il a été proposé pour la première fois par le physicien théorique italien Ettore Majorana en 1937. Il a prédit qu’un type de particule appelé fermion pouvait agir comme sa propre antiparticule.
Dans le modèle standard de la physique, chaque particule a une antiparticule. Ces antiparticules sont généralement des particules entièrement distinctes, ayant la même masse mais une charge opposée à celle de leur partenaire.
Même les particules électriquement neutres ont des antiparticules, comme le neutron, qui est constitué de quarks, et l’antineutron, qui est constitué d’antiquarks.
Dans de très rares cas, une particule sans masse et sans charge peut agir comme sa propre antiparticule, et nous n’en avons identifié que quelques exemples jusqu’à présent : les photons (particules de lumière), les gravitons hypothétiques et les WIMP.
Les fermions de Majorana, s’ils existent, appartiennent à cette dernière catégorie. Si nous parvenons à les trouver et à les exploiter, cela changera tout sur la façon dont nous enregistrons et traitons l’information dans la prochaine génération d’ordinateurs quantiques.
“La recherche de cette particule est pour les physiciens de la matière condensée ce que la recherche du boson de Higgs était pour les physiciens des particules à haute énergie”, notait en 2012 le physicien Leonid Rokhinson de l’université Purdue. “C’est un objet très particulier car c’est un fermion et pourtant c’est sa propre antiparticule avec une masse et une charge nulles.”
Contrairement aux ordinateurs ordinaires qui utilisent des bits de 0 et 1, les ordinateurs quantiques utilisent des bits quantiques qui peuvent exister dans un état de 0, 1, ou une superposition des deux.
Le problème de la construction d’un ordinateur à partir de bits quantiques (ou qubits) est qu’il est extrêmement difficile d’enregistrer l’état dans lequel ils se trouvaient auparavant, une fois qu’ils ont été échangés, et il est inutile d’avoir un ordinateur qui ne peut pas conserver d’informations.
Mais les physiciens pensent que les fermions de Majorana pourraient être la clé pour résoudre tout cela.
“L’information pourrait être stockée non pas dans les particules individuelles, mais dans leur configuration relative, de sorte que si une particule est un peu poussée par une force locale, cela n’a pas d’importance”, a déclaré Rokhinson.
“Tant que ce bruit local n’est pas si fort qu’il modifie la configuration globale d’un groupe de particules, l’information est conservée. Cela offre une toute nouvelle façon de traiter l’information.”
En avril de cette année, une équipe du laboratoire national d’Oak Ridge, dans le Tennessee, a découvert la première preuve réelle de l’existence de fermions de Majorana dans ce qu’on appelle une quasi-particule.
Contrairement à une particule ordinaire, qui est un objet physique constituant un atome, une quasi-particule est une entité qui possède certaines caractéristiques d’une particule distincte, mais qui est plutôt constituée d’un regroupement de plusieurs particules. Trouver une quasi-particule de fermion de Majorana est une chose, mais le véritable objectif est de trouver une particule de fermion de Majorana.
Aujourd’hui, des physiciens de l’Académie chinoise des sciences affirment avoir identifié un autre type de quasi-particule qui se comporte exactement comme un fermion de Majorana, appelé modes zéro de Majorana (MZM).
L’équipe a pu synthétiser ces quasi-particules dans une simulation quantique et les manipuler de manière à ce qu’elles fonctionnent dans un système informatique quantique. Plus important encore, elle a montré qu’elles pouvaient conserver les informations encodées dans leurs modes zéro de Majorana, même lorsque des erreurs et du “bruit” étaient appliqués au système.
“Nous démontrons l’immunité des informations quantiques codées dans les modes zéro de Majorana contre les erreurs locales grâce au simulateur”, décrivent-ils dans leur article, publié dans Nature Communications.
Si la simulation de l’équipe peut être reproduite dans des conditions expérimentales, cela signifie que nous pourrions avoir un autre candidat pour les comportements de type fermion de Majorana sur les bras, et une autre chance de construire les ordinateurs quantiques du futur.
En attendant, voici d’autres informations sur ces insaisissables fermions de Majorana :