Un supraconducteur à interface non conventionnelle pourrait bénéficier à l’informatique quantique

Une équipe multi-institutionnelle de scientifiques aux États-Unis, dirigée par le physicien Peng Wei de l’Université de Californie à Riverside, a développé un nouveau matériau supraconducteur qui pourrait potentiellement être utilisé dans l’informatique quantique et être un candidat « supraconducteur topologique ».

La topologie est la mathématique de la forme. Un supraconducteur topologique utilise un état délocalisé d’un électron ou d’un trou (un trou se comporte comme un électron avec une charge positive) pour transporter des informations quantiques et traiter des données de manière robuste.

Les chercheurs rapportent dans Progrès scientifiques qu’ils ont combiné du tellure trigonal avec un supraconducteur à l’état de surface généré à la surface d’un film mince d’or. Le titre de l’article est « Signatures d’une interface à spin actif et d’un champ Zeeman localement amélioré dans une hétérostructure de matériau supraconducteur-chiral ».

Le tellure trigonal est un matériau chiral, ce qui signifie qu’il ne peut pas être superposé à son image miroir, comme nos mains gauche et droite. Le tellure trigonal est également non magnétique. Néanmoins, les chercheurs ont observé des états quantiques à l’interface qui hébergent une polarisation de spin bien définie. La polarisation de spin permet aux excitations d’être potentiellement utilisées pour créer un bit quantique de spin, ou qubit.

« En créant une interface très propre entre le matériau chiral et l’or, nous avons développé un supraconducteur à interface bidimensionnelle », a déclaré Wei, professeur associé de physique et d’astronomie.

« Le supraconducteur d’interface est unique car il vit dans un environnement où l’énergie du spin est six fois plus élevée que celle des supraconducteurs conventionnels. »

Les chercheurs ont observé que le supraconducteur d’interface subit une transition sous un champ magnétique et devient plus robuste à champ élevé par rapport à un champ faible, ce qui suggère une transition vers un « supraconducteur triplet », qui est plus stable sous un champ magnétique.

De plus, grâce à une collaboration avec des scientifiques du National Institute of Standards and Technology, les chercheurs ont montré qu’un tel supraconducteur impliquant des films minces d’or et de niobium hétérostructurés supprime naturellement les sources de décohérence provenant de défauts de matériaux tels que les oxydes de niobium qui constituent un défi courant pour les supraconducteurs en niobium.

Ils ont montré que le supraconducteur peut être transformé en résonateurs micro-ondes à faible perte de haute qualité avec un facteur de qualité atteignant 1 million.

La nouvelle technologie a des applications dans l’informatique quantique, un domaine qui tire parti de la mécanique quantique pour résoudre des problèmes complexes que les ordinateurs classiques ou les supercalculateurs ne peuvent pas résoudre ou ne peuvent pas résoudre assez rapidement, selon la société multinationale de technologie IBM.

« Nous avons réussi à obtenir ce résultat en utilisant des matériaux d’une épaisseur d’un ordre de grandeur plus fine que ceux généralement utilisés dans le secteur de l’informatique quantique », a déclaré Wei. « Les résonateurs micro-ondes à faible perte sont des composants essentiels de l’informatique quantique et pourraient conduire à des qubits supraconducteurs à faible perte. Le plus grand défi de l’informatique quantique est de réduire la décohérence ou la perte d’informations quantiques dans un système de qubits. »

La décohérence se produit lorsqu’un système quantique interagit avec son environnement, ce qui conduit à une confusion des informations du système avec l’environnement. La décohérence pose un défi pour la réalisation d’ordinateurs quantiques.

Contrairement aux méthodes précédentes qui nécessitent des matériaux magnétiques, la nouvelle approche des chercheurs utilise des matériaux non magnétiques pour une interface plus propre.

« Notre matériau pourrait être un candidat prometteur pour le développement de composants informatiques quantiques plus évolutifs et plus fiables », a déclaré Wei.

Wei a été rejoint dans ses recherches par ses étudiants diplômés de l’UCR.

La technologie a été divulguée au Bureau des partenariats technologiques de l’UCR et un brevet provisoire a été déposé.