Une approche permettant de rendre le stockage d’informations en calcul quantique moins sujet aux erreurs est connue sous le nom de calcul quantique topologique. Elle repose sur des états quantiques particuliers qui devraient être plus résistants aux perturbations locales. Des physiciens de l’Université de Cologne ont maintenant observé des états quantiques qui se comportent comme prédit dans un système matériel considéré comme prometteur pour cette approche.
Leurs résultats, publiés sous le titre « Tunneling spectroscopy of topological insulator Josephson junctions » dans Science Advances, confortent une description théorique de la manière dont la supraconductivité interagit avec la surface d’un isolant topologique.
Les isolants topologiques sont des matériaux qui isolent l’électricité dans leur intérieur mais la conduisent le long de leurs surfaces. Lorsqu’ils sont combinés à un supraconducteur conventionnel, leurs états de surface devraient, selon les prédictions, soutenir une forme particulière de supraconductivité connue sous le nom de supraconductivité topologique. Si elle était réalisée, celle-ci pourrait ouvrir une voie vers les modes zéro de Majorana, des états quantiques étudiés pour leur utilisation potentielle dans des bits quantiques topologiques, ou qubits. Démontrer et contrôler expérimentalement ces états demeure un défi.
Pour étudier ce comportement prédit, le Dr Jakob Schluck, Ella Nikodem (M.Sc.) et leurs collègues du Topological Matter Laboratory Cologne, dirigé par le professeur Yoichi Ando, ont étudié une structure appelée jonction Josephson. Celle-ci se compose de deux supraconducteurs reliés par une région non supraconductrice. À l’aide de la spectroscopie tunnel, les chercheurs ont sondé les états quantiques à l’intérieur de la jonction tout en faisant varier la différence de phase entre les deux supraconducteurs.
L’équipe a observé des états d’Andreev fortement transmissifs, qui se forment lorsque les électrons et les trous interagissent au niveau d’une jonction supraconductrice. Ces états sont apparus sur une plage de densités de porteurs de charge, en accord avec le comportement prédit des électrons à la surface de l’isolant topologique. Lorsque les chercheurs ont appliqué un champ magnétique, ils ont également constaté que ces états se concentraient dans des régions spécifiques de la jonction, comme la théorie le prédit. « Comprendre comment la supraconductivité interagit avec les propriétés électroniques singulières des isolants topologiques est essentiel pour évaluer leur potentiel pour le calcul quantique topologique », déclare le professeur Yoichi Ando.
Les résultats expérimentaux concordent avec les prédictions théoriques fondées sur le modèle proposé par Liang Fu et Charles Kane en 2008, ainsi qu’avec les simulations numériques réalisées par le groupe du professeur Fabian Hassler à l’Université RWTH Aachen.
« C’est extrêmement passionnant de voir nos résultats expérimentaux s’accorder aussi bien avec les prédictions théoriques. C’est très encourageant en termes d’applications futures du calcul quantique », ajoute Ella Nikodem.
Une question importante reste ouverte : les états observés subissent-ils la fermeture et la réouverture prédites d’un gap d’énergie ? Un tel changement pourrait signaler une transition vers la supraconductivité topologique, dans laquelle certains états quantiques peuvent être protégés contre les perturbations locales. Cette protection est l’une des raisons pour lesquelles le calcul quantique topologique est considéré comme une voie prometteuse vers des bits quantiques plus robustes. Dans l’expérience actuelle, la transition reste à confirmer par des mesures plus précises. « Pour démontrer la transition de phase topologique dans ce système, nous devons améliorer la résolution en énergie et en temps de l’expérience — c’est la prochaine étape sur la feuille de route du laboratoire d’Ando », explique Jakob Schluck.
Cette recherche a réuni des physiciens expérimentaux de l’Université de Cologne et des chercheurs théoriciens de l’Université RWTH Aachen. Les deux groupes font partie du Cluster d’excellence Matter and Light for Quantum Computing (ML4Q), créé en 2019 dans le cadre de la Stratégie d’excellence du gouvernement fédéral et des Länder allemands. Le cluster relie des chercheurs des universités de Cologne, Aix-la-Chapelle et Bonn ainsi que du Forschungszentrum Jülich afin de faire progresser la recherche fondamentale sur le calcul quantique.
Article : Tunneling spectroscopy of topological insulator Josephson junctions – Journal : Science Advances – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : Cologne U
