Agrandir / Microsoft dit qu’il voit deux pics clairs aux extrémités d’un fil, avec une belle séparation d’énergie entre ceux-ci et tout autre état d’énergie.
Jusqu’à présent, deux principales technologies d’informatique quantique ont été commercialisées. Un type de matériel, appelé transmon, implique des boucles de fil supraconducteur reliées à un résonateur ; il est utilisé par des entreprises comme Google, IBM et Rigetti. Des entreprises comme Quantinuum et IonQ ont plutôt utilisé des ions individuels détenus dans des pièges à lumière. Pour le moment, les deux technologies sont dans une position délicate. Il a été clairement démontré qu’ils fonctionnent, mais ils ont besoin d’améliorations significatives de mise à l’échelle et de qualité avant de pouvoir effectuer des calculs utiles.
Il peut être un peu surprenant de voir que Microsoft s’est engagé dans une technologie alternative appelée “qubits topologiques”. Cette technologie est suffisamment loin derrière les autres options pour que la société vient d’annoncer qu’elle a élaboré la physique pour créer un qubit. Pour mieux comprendre l’approche de Microsoft, Ars s’est entretenu avec l’ingénieur Microsoft Chetan Nayak des progrès et des projets de l’entreprise.
La base d’un qubit
Microsoft commence derrière certains concurrents parce que la physique de base de son système n’a pas été entièrement comprise. Le système de la société repose sur la production contrôlée d’une “particule de Majorana”, quelque chose dont l’existence n’a été démontrée qu’au cours de la dernière décennie (et même alors, sa découverte a été controversée).
La particule tire son nom d’Ettore Majorana, qui a proposé l’idée dans les années 1920. En termes simples, une particule de Majorana est sa propre antiparticule ; deux particules de Majorana qui diffèrent par leur spin s’annihileraient si elles se rencontraient. Jusqu’à présent, aucune des particules connues ne semble être une particule de Majorana (toutes sauf les neutrinos ne le sont définitivement pas). Mais le concept a perduré en raison de la perspective de fabriquer des quasi-particules de Majorana, ou un ensemble de particules et de champs qui, dans certains contextes, se comporte comme s’il s’agissait d’une seule particule.
La quasi-particule la plus importante est probablement la paire de Cooper, dans laquelle deux électrons sont appariés d’une manière qui modifie leur comportement. Les paires de Cooper sont nécessaires pour que la supraconductivité fonctionne.
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Nayak a déclaré que le système de Microsoft impliquait un fil supraconducteur et ses paires de Cooper. Dans des circonstances normales, avoir un électron supplémentaire non apparié entraîne un coût sur l’énergie totale du système. Mais dans un fil suffisamment petit en présence de champs magnétiques, il est possible de coller un électron au bout du fil sans coût énergétique. “Dans un état topologique et un supraconducteur topologique, vous finissez par avoir des états qui peuvent, sans coût énergétique, absorber un électron supplémentaire”, a déclaré Nayak à Ars.
Ceci étant la mécanique quantique, l’électron n’est pas localisé à l’extrémité du fil où il est inséré ; au lieu de cela, il est délocalisé aux deux extrémités. “Les deux extrémités sont les parties réelles et imaginaires de cette fonction d’onde quantique, essentiellement”, a déclaré Nayak. Ces états finaux sont appelés modes zéro de Majorana, et Microsoft affirme maintenant les avoir créés et mesuré leurs propriétés.
De la quasi-particule au qubit
Seuls, les modes zéro de Majorana ne sont pas utilisables comme qubits. Mais Nayak a déclaré qu’il était possible de les relier à un point quantique à proximité. (Les points quantiques sont des morceaux d’un matériau dimensionnés de manière à être plus petits que la longueur d’onde d’un électron dans ce matériau.) Il a décrit un fil en forme de U avec des modes zéro de Majorana à chaque extrémité et ces extrémités à proximité d’un point quantique.
“Vous pouvez effectivement, en tant que processus virtuel, avoir un tunnel d’électrons du point quantique sur un mode zéro de Majorana et un tunnel d’électrons de l’autre mode zéro de Majorana et sur le point quantique”, a déclaré Nayak à Ars. Ces échanges modifient la capacité de la boîte quantique à stocker de la charge (c’est-à-dire sa capacité), une propriété qui peut être mesurée. Nayak a également déclaré que les connexions entre le fil et les points quantiques peuvent être contrôlées, permettant potentiellement aux modes zéro de Majorana d’être déconnectés, ce qui aiderait à préserver leur état.
Microsoft n’en est pas arrivé au point de relier un point quantique. Mais il a fait un travail considérable pour que l’état topologique fonctionne dans le fil. Les matériaux utilisés par l’entreprise sont relativement inhabituels : l’aluminium comme fil supraconducteur et l’arséniure d’indium comme semi-conducteur qui l’entoure. Microsoft fabrique tous les appareils lui-même.
