Le dispositif quantique proposé pourrait réaliser succinctement des particules émergentes telles que l’anyon de Fibonacci

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Bien avant que le Dr Jukka Vayrynen ne soit professeur adjoint au Département de physique et d’astronomie de Purdue, il était post-doctorant étudiant un modèle théorique avec des particules émergentes dans un environnement de matière condensée. Une fois arrivé à Purdue, il avait l’intention de développer le modèle, s’attendant à ce qu’il soit relativement facile. Il a donné les calculs apparemment simples à Guangjie Li, un étudiant diplômé travaillant avec Vayrynen, mais les calculs ont donné un résultat inattendu. Ces résultats ont constitué un obstacle surprenant qui a failli stopper brutalement leurs recherches. La ténacité de l’équipe a pris ce barrage routier et l’a transformé en une voie possible vers le développement de l’informatique quantique.

Au Aspen Center for Physics dans le Colorado, Vayrynen a discuté de cette question avec un collègue de l’Institut Weizmann des sciences en Israël, le Dr Yuval Oreg, qui a aidé à contourner l’obstacle. L’équipe a utilisé cette nouvelle compréhension de leurs calculs pour proposer un dispositif quantique qui pourrait être testé expérimentalement pour réaliser succinctement des particules émergentes telles que l’anyon de Fibonacci. Ils ont publié leurs découvertes, « Effet Kondo topologique multicanal », dans Lettres d’examen physique le 10 février 2023.

La théorie de la matière condensée est un domaine de la physique qui étudie, par exemple, les propriétés des systèmes quantiques électroniques, avec des applications à des technologies telles que les supraconducteurs, les transistors ou les dispositifs informatiques quantiques. L’un des défis dans ce domaine est de comprendre le comportement mécanique quantique de nombreux électrons, également connu sous le nom de « problème à plusieurs corps ». C’est un problème car il ne peut être théoriquement modélisé que dans des cas très limités. Cependant, même dans ces cas limités, des phénomènes émergents riches tels que des excitations collectives ou des « quasi »-particules émergentes à charge fractionnaire sont connus pour émerger. Ces phénomènes résultent des interactions complexes entre les électrons et peuvent conduire au développement de nouveaux matériaux et technologies.

« Dans notre article, nous proposons un dispositif quantique suffisamment simple pour être théoriquement modélisé et testé expérimentalement à l’avenir, mais également suffisamment complexe pour afficher des particules émergentes non triviales », explique Vayrynen. « Nos résultats indiquent que le dispositif proposé peut réaliser une particule émergente appelée anyon de Fibonacci qui peut être utilisée comme élément de base d’un ordinateur quantique. Le dispositif est donc un candidat prometteur pour le développement de la technologie informatique quantique. »

Cette découverte pourrait être utilisée dans les futurs ordinateurs quantiques de manière à les rendre plus résistants à la décohérence, c’est-à-dire au bruit.

Selon leur publication, l’équipe a introduit une généralisation du canal N à motivation physique d’un modèle topologique de Kondo. Partant du cas le plus simple N = 2, ils conjecturent un point fixe de couplage intermédiaire stable et évaluent l’entropie d’impureté à basse température résultante. L’entropie des impuretés indique qu’un anyon de Fibonacci émergent peut être réalisé dans le modèle N = 2.

Selon Li, « un anyon de Fibonacci est une particule émergente avec la propriété que lorsque vous ajoutez plus de particules au système, le nombre d’états quantiques augmente comme la séquence de Fibonacci, 1, 2, 3, 5, 8, etc. Dans notre système, un petit dispositif quantique est connecté à des fils d’électrons de conduction qui écranteront excessivement le dispositif et peuvent entraîner une émergence de Fibonacci anyon. »

L’équipe donne également un certain nombre de prédictions qui pourraient être testées expérimentalement dans les futurs dispositifs quantiques.

« Nous évaluons l’entropie et la conductance des impuretés à température nulle pour obtenir des signatures observables expérimentalement de nos résultats. Dans la limite du grand N, nous évaluons la fonction de croisement complète décrivant la conductance dépendant de la température », explique Vayrynen.

Cette recherche est la première d’une série sur laquelle l’équipe Purdue de Li et Vayrynen travaillera. Ils ont collaboré avec un scientifique principal de l’Institut Max Planck pour la recherche sur l’état solide en Allemagne, le Dr Elio König, et ont publié un travail connexe, « Topological Symplectic Kondo Effect », dans une préimpression arXiv (2210.16614) le 20 octobre 2022.

Cette recherche était basée sur des travaux soutenus par le Quantum Science Center, un centre de recherche national sur les sciences de l’information quantique du Département américain de l’énergie, dont le siège est situé au laboratoire national d’Oak Ridge du DOE. Le Dr Yong Chen, professeur de physique et d’astronomie Karl Lark-Horovitz et professeur de génie électrique et informatique, siège au conseil consultatif de gouvernance du QSC, et Purdue est l’un des principaux partenaires du centre.

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