En route vers des ordinateurs quantiques plus compacts grâce à la topologie

L’avenir de l’informatique est désormais inconcevable sans calculateurs quantiques. Mais ces derniers en sont encore majoritairement au stade de recherche. Ils portent en eux la promesse d’accélérer certains calculs et certaines simulations de plusieurs ordres de grandeur par rapport aux ordinateurs classiques.

Les bits quantiques – ou qubits – forment la base des calculateurs quantiques. Ce qu’on appelle les qubits topologiques pourraient constituer un nouveau type de bits quantiques, probablement supérieur. Afin d’obtenir des indications sur les moyens de les créer, une équipe internationale de chercheurs a notamment mené des expériments à la Source de Lumière Suisse SLS au PSI.

Des bits quantiques plus stables

«Il y a différentes manières d’obtenir des bits informatiques qui obéissent aux lois de la mécanique quantique», explique Niels Schröter, l’un des auteurs de l’étude, qui était chercheur au PSI jusqu’en avril 2021 avant de rejoindre l’Institut Max-Planck de physique des microstructures à Halle, en Allemagne. «La plupart des types qubits perdent malheureusement rapidement leur information, poursuit-il. On peut dire d’eux que ce sont des qubits oublieux.» Pour y remédier, il existe une solution technique: venir en renfort de chaque qubit avec un système de qubits supplémentaires qui corrigent les erreurs lorsqu’elles surviennent. Mais cela signifie que le nombre total de qubits nécessaires pour un calculateur quantique opérationnel avoisine rapidement plusieurs millions.

«L’approche de Microsoft, à laquelle nous collaborons désormais, est tout à fait différente, relève Niels Schröter. Nous voulons contribuer à créer un nouveau type de qubits qui résistent aux pertes d’information. Cela permettrait de réaliser un calculateur quantique léger et fonctionnel avec quelques qubits.»

Cette résistance, les chercheurs espèrent l’obtenir avec des qubits dits topologiques. Ces derniers constitueraient une nouveauté complète, qu’aucun groupe de recherche n’a encore réussi à créer.

Les matériaux topologiques ont été rendus célèbres par le prix Nobel de physique en 2016. A l’origine, la topologie est un domaine des mathématiques qui étudie, entre autres, les comportements des objets géométriques lorsqu’ils sont déformés. Mais le langage mathématique développé à cet effet peut être aussi appliqué à d’autres propriétés physiques des matériaux. Des qubits dans des matériaux topologiques seraient alors des qubits topologiques.

Quasi-particules dans des nanofils semi-conducteurs

On sait que les systèmes stratifiés de certains semi-conducteurs et supraconducteurs pourraient induire des états électroniques exotiques, qui fonctionneraient comme des qubits topologiques. Concrètement, ce sont des fils ultrafins et courts d’un matériau semi-conducteur qui entrent en ligne de compte. Ils ont un diamètre de seulement 100 nanomètres et une longueur de 1000 nanomètres (soit 0,0001 centimètre). La moitié supérieure des fils est revêtues à l’extérieur d’une fine couche d’un supraconducteur dans le sens de la longueur. La partie restante des fils n’a pas de revêtement, ce qui entraîne la formation d’une couche d’oxyde naturelle. Des simulations informatiques de ces composants prédisent que les états électroniques décisifs en termes de mécanique quantique ne se trouvent qu’à l’interface entre le semi-conducteur et le supraconducteur, et non entre le semi-conducteur et sa couche d’oxyde.

«En termes physiques, la distribution collective et asymétrique des électrons générée dans ces nanofils peut être décrite comme étant ce qu’on appelle des quasi-particules, explique Gabriel Aeppli, directeur de la division de recherche Sciences photoniques au PSI, qui a aussi participé à l’étude actuelle. Si l’on choisit maintenant des matériaux semi-conducteurs et supraconducteurs adéquats, des quasi-particules particulières appelées fermions de Majorana devraient se former à partir de ces électrons aux extrémités des nanofils.»

Les fermions de Majorana sont des états topologiques. Ils pourraient donc servir de supports d’informations, autrement dit de qubits dans un calculateur quantique. «Lors de la dernière décennie, des groupes de recherche du monde entier ont étudié et affiné des recettes pour produire des fermions de Majorana, poursuit Gabriel Aeppli. Mais pour rester dans cette comparaison: nous ignorions toujours quelle était la casserole où la recette réussissait le mieux.»

Avantage à l’antimoniure d’indium

L’un des objectifs majeurs du projet de recherche actuel résidait donc dans la comparaison de deux «casseroles». Les chercheurs ont étudié deux semi-conducteurs différents et leur couche d’oxyde naturelle: l’arséniure d’indium d’un côté et l’antimoniure d’indium de l’autre.

A la SLS, les chercheurs du PSI ont utilisé une méthode d’analyse appelée spectroscopie photoélectronique à résolution angulaire au moyen de rayons X mous (abrégée SX-ARPES en anglais). Pour l’interprétation des données expérimentales complexes, un nouveau modèle informatique a été utilisé. Il a été développé par le groupe de recherche menée par Noa Marom à l’Université Carnegie Mellon, aux Etats-Unis, en collaboration avec Vladimir Strocov du PSI. «Les modèles informatiques utilisés jusqu’ici menaient aussi à une quantité ingérable de résultats irréalistes, raconte Vladimir Strocov. Avec notre nouvelle méthode, nous pouvons désormais filtrer automatiquement, à partir de tous les résultats, ceux qui sont pertinents d’un point de vue physique et donc interpréter correctement les résultats de l’expériment.»

Grâce à cette combinaison d’expérience SX-ARPES et de modèles informatiques, les chercheurs sont désormais en mesure de montrer que sous sa couche d’oxyde, l’antimoniure d’indium présente une densité d’électrons particulièrement faible. Or ce serait un avantage dans les nanofils prévus pour la formation de fermions de Majorana topologiques.

«Du point de vue de la distribution des électrons sous la couche d’oxyde, l’antimoniure d’indium convient mieux que l’arséniure d’indium pour servir de matériau de support aux qubits topologiques», conclut Niels Schröter. Le chercheur fait cependant remarquer que d’autres avantages et inconvénients doivent assurément être mis en balance dans la recherche des meilleurs matériaux pour un calculateur quantique topologique. «Nos méthodes spectroscopiques de pointe joueront certainement un rôle important dans la recherche de matériaux pour les calculateurs quantiques, relève Vladimir Strocov. En ce moment, le PSI entreprend de grands efforts pour développer la recherche quantique et l’ingénierie quantique en Suisse. Et la SLS en est une part essentielle.»

Texte: Institut Paul Scherrer/Laura Hennemann

À propos du PSI

L'Institut Paul Scherrer PSI développe, construit et exploite des grandes installations de recherche complexes et les met à la disposition de la communauté scientifique nationale et internationale. Les domaines de recherche de l'institut sont centrés sur la matière et les matériaux, l'énergie et l'environnement ainsi que la santé humaine. La formation des générations futures est un souci central du PSI. Pour cette raison, environ un quart de nos collaborateurs sont des postdocs, des doctorants ou des apprentis. Au total, le PSI emploie 2100 personnes, étant ainsi le plus grand institut de recherche de Suisse. Le budget annuel est d'environ CHF 400 millions. Le PSI fait partie du domaine des EPF, les autres membres étant l'ETH Zurich, l'EPF Lausanne, l'Eawag (Institut de Recherche de l'Eau), l'Empa (Laboratoire fédéral d'essai des matériaux et de recherche) et le WSL (Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et le paysage). (Mise à jour: mai 2020)