Des dispositifs hybrides InAs-Al franchissent le protocole de gap topologique

Actualité scientifique en physique quantique

Une équipe internationale dirigée par Microsoft Quantum vient de franchir une étape décisive dans la quête de l’informatique quantique topologique. Dans un article publié dans Physical Review B, les chercheurs présentent des dispositifs semiconducteurs-supraconducteurs qui manifestent des signes probants de supraconductivité topologique et de modes zéro de Majorana. Retrouvez ici un résumé de l’article publié.
Note de la rédaction. Ce contenu a été obtenu par une méthode de résumé automatique développée par les éditions Sambuc. Il peut contenir des informations imprécises ou inexactes. Les résultats présentés doivent donc être interprétés avec prudence. En cas de doute, référez-vous à la publication originale.

L’informatique quantique topologique, une forme de production de bits quantiques, promet un niveau élevé de tolérance aux erreurs intégrée directement dans le matériel. Cette approche repose sur la production fiable d’une phase topologique stable qui supporte des quasi-particules non-abéliennes, et sur le traitement de l’information quantique via des opérations protégées comme le tressage. La difficulté principale réside dans les exigences strictes concernant les paramètres matériels et la résistance au désordre.

Les phases topologiques constituent une forme de matière dans laquelle l’état fondamental présente un enchevêtrement quantique à longue portée et un écart énergétique avec les états excités. Contrairement aux phases de matière qui peuvent être entièrement distinguées par des mesures locales, les phases topologiques sont identifiées par les transformations de leurs états de basse énergie résultant de la fusion et du tressage de leurs quasi-particules et défauts.

Dans le cas des fils supraconducteurs quasi-unidimensionnels sans symétries imposées, il n’existe que deux phases : l’une triviale et l’autre topologique. Cette dernière supporte des modes zéro de Majorana (MZM) localisés aux extrémités du nanofil. Les MZM se manifestent par des pics de conductance à polarisation nulle (ZBP) dans la conductance différentielle par effet tunnel aux extrémités du nanofil. Cependant, ces ZBP peuvent également être causés par le désordre, des variations de potentiel près de la jonction tunnel, des points quantiques non intentionnels, ou un supercourant.

Pour surmonter ces ambiguïtés, les chercheurs ont élaboré le protocole de gap topologique (TGP), conçu pour identifier de manière fiable la phase topologique à travers une série de tests expérimentaux rigoureux. Ce protocole détecte une transition de phase quantique entre des phases à champ magnétique faible et élevé via une fermeture du gap énergétique. Il établit que la phase à champ élevé est topologique grâce à la stabilité de ses ZBP.

Le TGP est validé lorsque :

(a) des ZBP sont observés dans les conductances locales mesurées aux jonctions tunnel aux deux extrémités d’un fil, et ils sont stables face aux changements de transparence de la jonction ;

(b) ces ZBP stables persistent sur une plage de champs magnétiques et de densités électroniques dans le fil ;

(c) une fermeture et réouverture du gap de transport en volume est détectée dans les conductances non locales ;

(d) il existe une région dans le diagramme de phase dont la limite est sans gap et dont l’intérieur est avec gap et présente des ZBP stables ;

(e) le gap de transport observé dans cette région, le gap topologique, dépasse la résolution de la mesure.

L’équipe a testé le TGP sur des données de transport simulées en comparant ses résultats à l’invariant topologique calculable des dispositifs simulés. Après avoir simulé des centaines de dispositifs avec différents niveaux de désordre, ils ont conclu que si un dispositif réussit le TGP, alors la probabilité que la région candidate dans le diagramme de phase ne soit pas topologique est inférieure à 8% au niveau de confiance de 95%.

Les chercheurs présentent des données de quatre dispositifs, nommés A, B, C et D, qui ont réussi ce protocole avec des gaps topologiques maximaux respectifs allant de 20 à 60 µeV. Ces dispositifs sont basés sur des hétérostructures combinant l’arséniure d’indium (InAs) et l’aluminium (Al). Le composant supraconducteur est une bande d’Al, épitaxialement cultivée sur le semiconducteur pour induire la supraconductivité via l’effet de proximité. La partie semiconductrice est un puits quantique peu profond d’InAs hébergeant un gaz d’électrons bidimensionnel (2DEG) qui a été déplété par des grilles électrostatiques, à l’exception d’un fil conducteur étroit qui reste sous la bande d’aluminium.

Le désordre constitue le principal obstacle à la réalisation d’une phase topologique supportant les MZM. Les simulations ont permis de prédire le niveau de désordre que la phase topologique peut tolérer en fonction de la conception. Ces simulations incorporent l’électrostatique auto-cohérente, l’effet orbital du champ magnétique et un couplage réaliste semiconducteur-supraconducteur.

Les fluctuations mésoscopiques jouent un rôle important dans ces dispositifs longs de 3 µm. Ainsi, même des dispositifs ayant le même niveau de désordre moyen peuvent avoir des résultats différents au TGP : certaines réalisations de désordre réussiront tandis que d’autres échoueront. Comme prévu par ces résultats de simulation, l’équipe a également mesuré des dispositifs similaires aux dispositifs A-D mais qui n’ont pas réussi le TGP.

En résumé, chacun des dispositifs A-D a une forte probabilité d’être dans la phase topologique. À la connaissance des auteurs, ces dispositifs sont les premiers à avoir satisfait à un ensemble d’exigences aussi rigoureuses que celles englobées par le TGP. Les gaps topologiques observés se situent dans la gamme de 17 à 61 µeV et occupent une taille correspondante petite du diagramme de phase. Les fluctuations mésoscopiques sont significatives, donc les variations d’un dispositif à l’autre et d’un refroidissement à l’autre pour le même dispositif ne peuvent pas être négligées pour les dispositifs actuels.

Ces mesures constituent une preuve solide de l’observation d’une phase supraconductrice topologique supportant les MZM. Le TGP a été testé avec des simulations extensives, identifiant de manière fiable les régions topologiques du diagramme de phase des dispositifs simulés et distinguant correctement les états liés d’Andreev triviaux des modes zéro de Majorana.

Ces résultats ouvrent la voie à l’informatique quantique topologique. Un processus fiable pour régler les dispositifs dans la phase topologique est une étape essentielle vers des opérations de fusion et de tressage des anyons, nécessaires pour construire un ordinateur quantique topologique fonctionnel.

Sambuc éditeur

Quiz sur l’actualité de la physique quantique

Découverte scientifique. — En quelle année des chercheurs de l’Université de New York ont-ils annoncé la découverte de la supraconductivité topologique comme nouvel état de la matière ?

A. 2017. — B. 2019. — C. 2021.

2019

États de la matière. — Parmi les états suivants, lequel représente le nouvel état de la matière découvert par les physiciens de l’Université de New York ?

A. Le plasma topologique. — B. La supraconductivité topologique. — C. La conductivité quantique.

La supraconductivité topologique

Informatique quantique. — Quelle est la principale différence entre les bits classiques et les qubits utilisés en informatique quantique ?

A. Les bits classiques sont plus rapides que les qubits. — B. Les bits classiques prennent uniquement les valeurs 0 ou 1, tandis que les qubits peuvent prendre les valeurs 0, 1 ou les deux en même temps. — C. Les bits classiques sont plus petits que les qubits.

Les bits classiques prennent uniquement les valeurs 0 ou 1, tandis que les qubits peuvent prendre les valeurs 0, 1 ou les deux en même temps

Particules spéciales. — Sur quel type de particules les chercheurs se sont-ils concentrés pour leurs travaux sur la supraconductivité topologique ?

A. Les particules de Majorana. — B. Les bosons de Higgs. — C. Les électrons libres.

Les particules de Majorana

Applications potentielles. — Quels sont les principaux avantages potentiels de la découverte de la supraconductivité topologique ?

A. La réduction de la consommation d’énergie des ordinateurs classiques. — B. L’augmentation des capacités de stockage et l’amélioration de la vitesse de calcul en informatique quantique. — C. La diminution de la taille des composants électroniques.

L’augmentation des capacités de stockage et l’amélioration de la vitesse de calcul en informatique quantique

Publication originale

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

Concepts liées en mécanique quantique

Modes zéro de Majorana, supraconductivité topologique, protocole de gap topologique, informatique quantique topologique, hétérostructures InAs-Al, gaz d’électrons bidimensionnel, effet de proximité, pics de conductance à polarisation nulle, tressage quantique, transition de phase quantique, états liés d’Andreev, fluctuations mésoscopiques.

Entités nommées fréquentes : ZBP, TGP, MZM, Majorana.