Supraconductivité topologique : quel est ce nouvel état de la matière découvert en 2019 ?

Découvertes scientifiques en physique quantique

En août 2019, des chercheurs de l’Université de New York ont découvert un nouvel état de la matière appelé supraconductivité topologique, Au-delà des états solide, liquide, gazeux et de gaz ionisé (plasma). Cette découverte offrait déjà des perspectives prometteuses pour l’informatique quantique et le stockage de données. Très récemment, une équipe de scientifiques dirigée au sein des bâtiments du Microsoft Quantum Materials Lab a réussi à démontrer l’existence de la supraconductivité topologique, jusque-là seulement théorique, en la produisant en laboratoire. Cette avancée a fait l’objet d’un article publié dans la revue Physical Review B. Retour sur ce mystérieux état de la matière et ses retombées technologiques.

En juin 2019, des physiciens de l’Université de New York ont prépublié un papier de recherche où ils annonçaient avoir découvert un nouvel état de la matière. Baptisée « supraconductivité topologique », cette avancée scientifique majeure a ouvert des perspectives prometteuses pour l’accroissement des capacités de stockage des dispositifs électroniques ainsi que pour l’amélioration de la vitesse de calcul dans le cadre de l’informatique quantique.

Particules de Majorana et matériau hôte

« Nos recherches ont permis de révéler des preuves expérimentales d’un nouvel état de la matière, la supraconductivité topologique », avait déclaré Javad Shabani, professeur adjoint de physique à l’Université de New York. L’étude a été dirigée conjointement avec Igor Zutic de l’Université de Buffalo (État de New York) et Alex Matos-Abiague de la Wayne State University (Michigan).

Alors que l’informatique classique traite des bits numériques sous forme de 0 et de 1, l’informatique quantique utilise des bits quantiques, ou qubits, pouvant avoir comme valeur 0, 1 ou les deux en même temps (superposition). Cette particularité permet d’augmenter de manière exponentielle la capacité et la vitesse de traitement des données.

Dans leurs travaux, les chercheurs ont analysé la transition d’un état quantique conventionnel vers ce nouvel état topologique en mesurant la barrière d’énergie entre ces états. Ils ont également mesuré directement les caractéristiques de signature de cette transition dans le paramètre d’ordre qui gouverne la nouvelle phase de supraconductivité topologique.

L’équipe s’est particulièrement intéressée aux particules de Majorana (ou fermions de Majorana), connues pour être également leurs propres antiparticules. Ces particules présentent un potentiel remarquable pour le stockage quantique dans un espace de calcul spécial, où les informations quantiques sont protégées du bruit environnant.

Cependant, aucun matériau hôte naturel n’existant pour ces fermions, les chercheurs ont entrepris de concevoir de nouvelles formes de matière sur lesquelles ces calculs pourraient être effectués. « La nouvelle découverte de la supraconductivité topologique dans une plate-forme à deux dimensions ouvre la voie à la conception de qubits topologiques évolutifs permettant de stocker non seulement des informations quantiques, mais également de manipuler les états quantiques sans erreur », a expliqué Shabani.

Les résultats de cette étude avaient été mis en ligne sur le site de pré-publication scientifique arXiv en juin 2019. Le papier original a ensuite été publié dans les Physical Review Letters le 21 janvier 2021.

Production d’une supraconductivité topologique dans un laboratoire Microsoft

En mars 2025, une équipe de scientifiques internationale, hébergée par les laboratoires de Microsoft Quantum, a réalisé une percée majeure dans le domaine de l’informatique quantique topologique. Les chercheurs ont effet démontré l’existence de supraconductivité topologique et de modes zéro de Majorana dans des dispositifs hybrides combinant arséniure d’indium (InAs) et aluminium (Al), selon un article publié dans Physical Review B. La supraconductivité topologique était jusque là un phénomène théorique, mais n’avait pas encore pu être produit en laboratoire.

Pour démontrer de manière fiable l’existence de la phase topologique, les chercheurs ont élaboré le protocole de gap topologique (TGP). Ce protocole comporte une série de tests rigoureux permettant d’identifier sans ambiguïté la transition entre la phase triviale et la phase topologique. Le TGP vérifie notamment la présence de pics de conductance à polarisation nulle aux extrémités du nanofil et la fermeture puis réouverture du gap énergétique (ou isolant) lors de la transition de phase.

Les quatre dispositifs présentés dans l’étude ont tous réussi ce protocole, avec des gaps topologiques (isolants topologiques) allant de 20 à 60 microélectronvolts. Ces dispositifs sont basés sur des hétérostructures où une bande d’aluminium est déposée sur un puits quantique d’InAs pour induire la supraconductivité par effet de proximité.

Les chercheurs soulignent que le désordre constitue le principal obstacle à la réalisation d’une phase topologique. Leurs simulations ont permis de déterminer le niveau de désordre tolérable et d’optimiser la conception des dispositifs. Les fluctuations mésoscopiques jouent également un rôle important, expliquant pourquoi certains dispositifs similaires n’ont pas réussi le TGP.

Cette démonstration constitue une preuve solide de l’observation d’une phase supraconductrice topologique supportant les modes zéro de Majorana. C’est une étape essentielle vers la réalisation d’opérations de fusion et de tressage d’anyons, composants fondamentaux d’un futur ordinateur quantique topologique.

Sambuc éditeur

Ressources et publications

Ressource : Phase Signature of Topological Transition in Josephson Junctions (link.aps.org)

Ressource : Microsoft unveils Majorana 1, the world’s first quantum processor powered by topological qubits (azure.microsoft.com)

Ressource : InAs-Al hybrid devices passing the topological gap protocol (journals.aps.org)

Ressource : Des dispositifs hybrides InAs-Al franchissent le protocole de gap topologique [résumé automatisé] (sambuc.fr)

Ressource : Topological superconductors: a review (arxiv.org)

Personnes et notions liées

Supraconductivité, informatique quantique, qubits, particules de Majorana, fermions, états de la matière, Université de New York, Javad Shabani, Igor Zutic, Alex Matos-Abiague.

Entités nommées fréquentes : Université de New York, Majorana, TGP.