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L'ordinateur quantique sauvé par les fermions de Majorana ?

Le phénomène de la décohérence, c'est-à-dire la transition du comportement quantique au comportement classique, rend de nombreux physiciens plutôt pessimistes quant à l'avenir des ordinateurs quantiques. Toutefois, cet obstacle est peut-être contournable en utilisant des fermions de Majorana, de nouvelles particules quantiques qui apparaissent dans certains solides. Une expérience récente va dans ce sens.


Le monde quantique est fascinant : à cette échelle, par exemple, les objets peuvent se trouver simultanément dans plusieurs états. Exploitant ce principe, un ordinateur quantique aurait des possibilités bien plus vastes qu’un modèle classique. Dans le cadre de sa série de vidéos Questions d’experts, sur la physique et l’astrophysique, l’éditeur De Boeck a interrogé Claude Aslangul, professeur à l’UPMC, afin qu'il nous explique le fonctionnement de cette étrange machine.

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Ettore Majorana est un personnage devenu légendaire au cours des ans. Physicien de génie que son ami et collègue Enrico Fermi tenait potentiellement pour l’égal d’un Newton ou d’un Galilée, il a mystérieusement disparu en 1938, juste après avoir laissé une théorie générale des particules quantiques douées d’un spin demi-entier, généralisant la théorie des électrons de Dirac. Il a aussi construit une alternative à cette théorie avec des cousins des fermions de Dirac que l’on appelle des fermions de Majorana.

Ces fermions pourraient exister aussi bien sous forme de particules fondamentales, par exemple des neutrinos, que sous forme de « quasi-particules » dans les solides. Ces dernières ne seraient pas fondamentales mais plutôt des cousines de particules quantiques comme les phonons. On a cherché et finalement trouvé il y a quelques années ces fermions dans des nanofils en antimoniure d'indium. La découverte a fasciné parce qu'elle ouvrait la porte à la réalisation de ce qu’on appelle des ordinateurs quantiques topologiques, des variantes des ordinateurs quantiques dont parle Claude Aslangul dans la vidéo ci-dessus.

Rappelons qu'avec un ordinateur classique, le temps nécessaire pour trouver une clé de cryptage qui assure le secret des transactions bancaires (le fameux chiffrement RSA) croît exponentiellement avec la taille de la clé, c'est-à-dire le nombre de chiffres qu'elle comporte. Avec un ordinateur quantique, ce temps augmente seulement comme une puissance de la taille. Un décryptage est donc possible bien plus rapidement.

Ettore Majorana (Catane, Sicile, 5 août 1906, présumé disparu en mer Tyrrhénienne le 27 mars 1938). L'importance de certaines de ses idées n'a vraiment été comprise que depuis quelques dizaines d'années.
Ettore Majorana est né à Catane, en Sicile, en 1906. Il est présumé disparu en mer Tyrrhénienne le 27 mars 1938. L'importance de certaines de ses idées n'a vraiment été comprise que depuis quelques dizaines d'années. © Wikipédia, DP

Plus généralement, que ce soit dans le cas de décomposition de grands nombres en produits de facteurs premiers, de la recherche d'informations dans une base de données ou pour simuler des systèmes quantiques, les ordinateurs quantiques sont, en théorie, au moins dans certains cas, supérieurs aux classiques. Malheureusement, comme le rappelle Claude Aslangul (voir vidéo ci-dessus), pour les battre, les ordinateurs quantiques de puissance suffisante se doivent d'échapper au phénomène de la décohérence qui se manifeste notamment avec le paradoxe du chat de Schrödinger.

Des fermions de Majorana avec des électrons intriqués dans un nanofil

Des fermions de Majorana dans des structures en 2D à l'intérieur de solides se comporteraient comme des nouvelles particules inédites appelées anyons. Ce ne sont ni vraiment des fermions, comme les quarks et les électrons, ni vraiment des bosons, comme les photons. Des lois topologiques rendraient la superposition quantique des états avec des qubits (les analogues quantiques des bits d'informations classiques) portés par ces anyons bien plus résistante à la décohérence. De telles lois topologiques stabilisant des configurations sont déjà connues pour les solitons classiques mais aussi quantiques (par exemple les skyrmions).

Qu'en est-il en réalité ? les qubits portés par des fermions de Majorana sont-ils effectivement moins sensibles à la décohérence que, par exemple, ceux portés par des noyaux d'atomes ? C'est précisément ce qu'une équipe de chercheurs de l'institut Niels Bohr, au Danemark, a tenté de savoir, comme elle l'explique dans un article déposé sur arXiv. Les physiciens ont utilisé cette fois-ci des nanofils en arséniure d'indium (InAs), un semi-conducteur.

Ces filaments ont été recouverts d’aluminium qui devient supraconducteur à très basse température. Fortement refroidis, ils ont été connectés à des électrodes en or et soumis à une différence de potentiel. Une chaîne d’électrons en état d’intrication quantique mutuelle se forme alors dans le nanofil entre les deux électrodes. Ce sont les électrons aux deux extrémités de cette chaîne qui se comportent comme un seul fermion de Majorana. La théorie prédit que si ces électrons, qui sont intriqués, résistent particulièrement bien à la décohérence, l’ajout d’un électron dans un nanofil doit nécessiter une énergie qui décroît exponentiellement avec la longueur du nanofil. C’est bien ce qui a été constaté avec divers filaments dont les longueurs variaient de 330 nanomètres à 1,5 micromètre.

Le phénomène de protection contre l’effet de la décohérence est donc bien là, comme attendu. Reste encore à prouver qu’il opère aussi avec l’efficacité désirée lorsque l’on utilise bien plusieurs fermions de Majorana portant des qubits.

Une représentation d'un transistor où les physiciens ont provoqué la naissance de « quasi-particules » décrites par la théorie des fermions de Majorana. Le nanofil en antimoniure d'indium est recouvert d'or et connecté à une électrode supraconductrice (en bleu). Un dispositif similaire a été réalisé pour étudier l'effet de la décohérence sur ces fermions. © TU Delft 2012 Une représentation d'un transistor où les physiciens ont provoqué la naissance de « quasi-particules » décrites par la théorie des fermions de Majorana. Le nanofil en antimoniure d'indium est recouvert d'or et connecté à une électrode supraconductrice (en bleu). Un dispositif similaire a été réalisé pour étudier l'effet de la décohérence sur ces fermions. © TU Delft 2012

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majorana TU Delft 2012


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