Le domaine de l’informatique quantique vient peut-être de recevoir un coup de pouce de cohérence et de prévention des erreurs sous la forme de parafermions : des électrons groupés qui se comportent comme des liquides dans un état particulier de la matière. Scientifiques de l’Université technique de Nanyang à Singapour (s’ouvre dans un nouvel onglet) ont démontré des résultats expérimentaux qu’ils espèrent conduire à des parafermions lorsque les électrons maintiennent des températures proches du zéro absolu (-273 degrés Celsius). La recherche a réalisé une percée en démontrant qu’il existe des conditions dans lesquelles les électrons peuvent avoir de fortes interactions, ce que les scientifiques n’avaient fait que théoriser jusqu’à présent.
Le mouvement ordonné des électrons donne ce que nous appelons l’électricité. Cependant, même lorsque les électrons se déplacent selon ce schéma « ordonné », ils ne le sont en fait pas. Parce qu’ils sont chargés négativement, les électrons se repoussent, tendant à se déplacer individuellement et au hasard dans différentes directions (comme un gaz) au lieu de former un tout cohérent. Ils s’apparentent à des conducteurs aux facultés affaiblies : ils peuvent atteindre leur destination avec quelques « bosses » en cours de route. Mais lorsque les électrons se comportent comme un liquide, cela revient à échanger les conducteurs altérés par des conducteurs ordonnés ; des conducteurs qui connaissent et respectent les limites, la vitesse et la direction de chacun pour réduire les conflits et mieux atteindre leur destination.
Bien sûr, de tels conducteurs font l’objet de nombreuses réflexions théoriques, mais l’existence des interactions électroniques fortes au moins a maintenant été prouvée expérimentalement.
Lorsque les électrons sont amenés à agir dans ce qu’on appelle un «liquide hélicoïdal de Tomonaga-Luttinger», il y a moins d’interactions de particules et d’échanges d’énergie entre eux et le système. Ceci, à son tour, diminue la quantité d’interférences systémiques et environnementales qui sont si souvent la cause d’erreurs et d’états quantiques effondrés dans les systèmes quantiques. Les électrons préalablement refroidis à un niveau proche du zéro absolu sont également un élément essentiel, car ils permettent à certains matériaux d’atteindre l’état d’un supraconducteur, où les électrons traversent sa surface sans aucune résistance électrique, réduisant encore les éléments possibles d’interférence environnementale. Le système étant refroidi au zéro absolu (dans l’expérience, jusqu’à 4,5 Kelvin ou -269 degrés Celsius) oblige les particules à ralentir de sorte qu’elles deviennent presque immobiles.
Les électrons (et leur propriété de spin) sont utilisés depuis un certain temps comme particules quantiques programmables. Ainsi, les améliorations du contrôle des électrons qui entraînent moins de perturbations signifient moins d’erreurs et une cohérence améliorée, ce qui signifie une durée de vie plus longue pour les qubits réels qui peuvent stocker ou traiter des informations. En fait, certains systèmes quantiques (comme les Quantum One et Quantum Two d’IBM) utilisent déjà des qubits supraconducteurs.
Dans ce cas, les scientifiques ont utilisé un substrat de graphène d’épaisseur atomique où ils ont déposé des cristaux d’épaisseur atomique de ditellurure de tungstène : un matériau presque bidimensionnel connu sous le nom d' »isolant Hall de spin quantique », qui isole la gravité à l’intérieur mais comporte des électrons sur le à l’extérieur. Après avoir assemblé le substrat de graphène/ditellurure de tungstène et l’avoir refroidi jusqu’au zéro absolu, l’équipe de recherche l’a placé sous un microscope à effet tunnel qui ne se trouvait qu’à un nanomètre de sa surface : plus petit qu’un brin d’ADN et plus petit que n’importe quel transistor jamais fabriqué (même lorsqu’il en regardant ceux qui alimentent les dernières meilleures cartes graphiques).
Une fois placés sous le microscope à effet tunnel et refroidis au zéro absolu, les chercheurs ont remarqué que les électrons du substrat de graphène/tungstène augmentaient leur répulsion. Leur répulsion était si forte que les électrons ont été forcés de se déplacer collectivement en raison de l’interaction entre le champ de répulsion de chaque électron. Les chercheurs ont enregistré un paramètre de Luttinger dans une fourchette de 0,21 à 0,33. Ce paramètre représente la force des interactions entre les particules ; lorsqu’il atteint 1, les interactions sont les plus faibles.
« Lorsque le paramètre de Luttinger est inférieur à 0,5, les interactions sont fortes et les électrons sont contraints à un mouvement collectif. C’est le domaine où les parafermions devraient exister », a déclaré le professeur assistant Weber. « C’est une plage de variation vraiment remarquable, puisque le paramètre de Luttinger ne peut varier qu’entre 0 et 1 », a-t-il poursuivi. « Le contrôle du paramètre Luttinger à des valeurs aussi basses n’a jamais été observé auparavant dans un liquide Tomonaga-Luttinger hélicoïdal. »
L’équipe prévoit maintenant de réduire encore plus les températures en tirant parti du nouveau laboratoire de vibrations ultra-faibles de NTU Singapour, qui a été construit plus tôt cette année. Le laboratoire permettra de réaliser des expériences à des températures encore plus basses de 150 millikelvins (mK) – encore plus proches du zéro absolu, ce qui devrait permettre aux chercheurs de voir une répulsion plus forte parmi les électrons et le témoignage réel de groupements de parafermions.
Fait intéressant, il semble que l’approche des chercheurs soit quelque peu liée à la propre course de Microsoft pour implémenter les qubits dits topologiques et leurs modes Majorana requis (et toujours manquants en action).