Un chemin vers les qubits topologiques du graphène – Technoguide

Dans le domaine quantique, les électrons peuvent se regrouper pour se comporter de manière intéressante. Le magnétisme est l’un de ces comportements que nous observons dans notre vie de tous les jours, tout comme les phénomènes plus rares de la supraconductivité. Curieusement, ces deux comportements sont souvent antagonistes, ce qui signifie que l’existence de l’un d’eux détruit souvent l’autre. Cependant, si ces deux états quantiques opposés sont forcés de coexister artificiellement, un état insaisissable appelé supraconducteur topologique apparaît, ce qui est passionnant pour les chercheurs qui tentent de créer des qubits topologiques.

Les qubits topologiques sont passionnants en tant que l’une des technologies potentielles pour les futurs ordinateurs quantiques. En particulier, les qubits topologiques constituent la base du calcul quantique topologique, ce qui est intéressant car il est beaucoup moins sensible aux interférences de son environnement provenant de la perturbation des mesures. Cependant, la conception et le contrôle des qubits topologiques sont restés un problème critique ouvert, en fin de compte en raison de la difficulté de trouver des matériaux capables d’héberger ces états, tels que les supraconducteurs topologiques.

Pour surmonter le caractère insaisissable des supraconducteurs topologiques, qui sont remarquablement difficiles à trouver dans les matériaux naturels, les physiciens ont développé des méthodologies pour concevoir ces états en combinant des matériaux communs. Les ingrédients de base pour concevoir des supraconducteurs topologiques – le magnétisme et la supraconductivité – nécessitent souvent de combiner des matériaux radicalement différents. De plus, la création d’un matériau supraconducteur topologique nécessite de pouvoir régler finement le magnétisme et la supraconductivité, les chercheurs doivent donc prouver que leur matériau peut être à la fois magnétique et supraconducteur en même temps, et qu’ils peuvent contrôler les deux propriétés. Dans leur recherche d’un tel matériau, les chercheurs se sont tournés vers le graphène.

Le graphène – une seule couche d’atomes de carbone – représente un matériau commun hautement contrôlable et a été élevé comme l’un des matériaux critiques pour les technologies quantiques. Cependant, la coexistence du magnétisme et de la supraconductivité est restée insaisissable dans le graphène, malgré des efforts expérimentaux de longue date qui ont démontré l’existence de ces deux états de manière indépendante. Cette limitation fondamentale représente un obstacle critique au développement de la supraconductivité topologique artificielle dans le graphène.

Dans une expérience de rupture récente, des chercheurs de l’UAM en Espagne, du CNRS en France et de l’INL au Portugal, ainsi que le soutien théorique du Pr Jose Lado de l’Université Aalto, ont démontré une première étape sur la voie vers les qubits topologiques dans le graphène. Les chercheurs ont démontré que des couches uniques de graphène peuvent héberger simultanément magnétisme et supraconductivité, en mesurant les excitations quantiques propres à cette interaction. Cette découverte révolutionnaire a été accomplie en combinant le magnétisme des domaines cristallins dans le graphène et la supraconductivité des îlots métalliques déposés.

“ Cette expérience montre que deux ordres quantiques paradigmatiques clés, la supraconductivité et le magnétisme, peuvent coexister simultanément dans le graphène ”, a déclaré le professeur Jose Lado, “ En fin de compte, cette expérience démontre que le graphène peut simultanément héberger les ingrédients nécessaires à la supraconductivité topologique. Alors que dans l’expérience actuelle, nous n’avons pas encore observé de supraconductivité topologique, en s’appuyant sur cette expérience, nous pouvons potentiellement ouvrir une nouvelle voie vers les qubits topologiques à base de carbone.

Les chercheurs ont induit la supraconductivité dans le graphène en déposant un îlot d’un supraconducteur conventionnel près des joints de grains, formant naturellement des coutures dans le graphène qui ont des propriétés magnétiques légèrement différentes du reste du matériau. Il a été démontré que la supraconductivité et le magnétisme aux limites des grains donnaient naissance à des états de Yu-Shiba-Rusinov, qui ne peuvent exister dans un matériau que lorsque le magnétisme et la supraconductivité coexistent ensemble. Les phénomènes que l’équipe a observés dans l’expérience correspondaient au modèle théorique développé par le professeur Lado, montrant que les chercheurs peuvent contrôler pleinement les phénomènes quantiques dans leur système hybride de concepteur.

La démonstration des états de Yu-Shiba-Rusinov dans le graphène est la première étape vers le développement ultime de qubits topologiques à base de graphène. En particulier, en contrôlant soigneusement les états de Yu-Shiba-Rusinov, la supraconductivité topologique et les états de Majorana peuvent être créés. Les qubits topologiques basés sur les états Majorana peuvent potentiellement surmonter de manière drastique les limitations des qubits actuels, en protégeant les informations quantiques en exploitant la nature de ces états non conventionnels. L’émergence de ces états nécessite un contrôle minutieux des paramètres du système. L’expérience actuelle établit le point de départ critique vers cet objectif, sur lequel on peut s’appuyer pour ouvrir, espérons-le, une route perturbatrice vers les ordinateurs quantiques topologiques basés sur le carbone.

Source de l’histoire:

Matériel fourni par l’Université Aalto. Remarque: le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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