Des chercheurs montrent une nouvelle stratégie pour détecter les particules non conformes appelées Anyons
En observant comment des particules étranges appelées anyons dissipent la chaleur, les chercheurs ont montré qu’ils pouvaient sonder les propriétés de ces particules dans des systèmes qui pourraient être pertinents pour la topologie. l’informatique quantique.
Une équipe de chercheurs de l’Université Brown a montré une nouvelle méthode pour sonder les propriétés des anyons, des quasi-particules étranges qui pourraient être utiles dans les futurs ordinateurs quantiques.
Dans une recherche publiée dans la revue Lettres d’examen physique, l’équipe décrit un moyen de sonder les anyons en mesurant les propriétés subtiles de la manière dont ils conduisent la chaleur. Alors que d’autres méthodes sondent ces particules à l’aide d’une charge électrique, cette nouvelle méthode permet aux chercheurs de sonder n’importe où, même dans des matériaux non conducteurs. C’est essentiel, disent les chercheurs, car les systèmes non conducteurs ont des exigences de température beaucoup moins strictes, ce qui en fait une option plus pratique pour l’informatique quantique.
“Nous avons de belles façons de sonder n’importe qui en utilisant la charge, mais la question a été de savoir comment les détecter dans les systèmes isolants qui seraient utiles dans ce qu’on appelle l’informatique quantique topologique”, a déclaré Dima Feldman, professeur de physique à Brown et co -auteur. « Nous montrons que cela peut être fait en utilisant la conductance thermique. Essentiellement, il s’agit d’un test universel pour tous ceux qui fonctionnent dans n’importe quel état de la matière.
Les Anyons sont intéressants car ils ne suivent pas les mêmes règles que les particules dans le monde tridimensionnel de tous les jours. En trois dimensions, il n’y a que deux grands types de particules : les bosons et les fermions. Les bosons suivent ce qu’on appelle les statistiques de Bose-Einstein, tandis que les fermions suivent les statistiques de Fermi-Dirac. D’une manière générale, ces différents ensembles de règles statistiques signifient que si un boson orbite autour d’un autre dans un système quantique, la fonction d’onde de la particule – l’équation qui décrit pleinement son état quantique – ne change pas. D’un autre côté, si un fermion orbite autour d’un autre fermion, la valeur de phase de sa fonction d’onde passe d’un entier positif à un entier négatif. S’il est à nouveau en orbite, la fonction d’onde revient à son état d’origine.
Les anyons, qui n’apparaissent que dans des systèmes confinés à deux dimensions, ne suivent aucune règle. Quand un anyon est en orbite autour d’un autre, sa fonction d’onde change d’une fraction d’entier. Et une autre orbite ne restaure pas nécessairement la valeur initiale de la fonction d’onde. Au lieu de cela, il a une nouvelle valeur – presque comme si la particule maintenait une “mémoire” de ses interactions avec l’autre particule même si elle s’est retrouvée là où elle a commencé.
Cette mémoire des interactions passées peut être utilisée pour coder des informations de manière robuste, c’est pourquoi les particules sont des outils intéressants pour l’informatique quantique. Les ordinateurs quantiques promettent d’effectuer certains types de calculs qui sont pratiquement impossibles pour les ordinateurs d’aujourd’hui. Un ordinateur quantique utilisant des anyons – connu sous le nom d’ordinateur quantique topologique – a le potentiel de fonctionner sans correction d’erreur élaborée, ce qui est une pierre d’achoppement majeure dans la quête d’ordinateurs quantiques utilisables.
Mais utiliser des anyons pour le calcul nécessite d’abord d’être capable d’identifier ces particules en sondant leurs statistiques quantiques. L’année dernière, des chercheurs l’ont fait pour la première fois en utilisant une technique connue sous le nom d’interférométrie de charge. Essentiellement, les anyons tournent les uns autour des autres, ce qui provoque parfois des interférences entre leurs fonctions d’onde. Le schéma d’interférence révèle les statistiques quantiques des particules. Selon les chercheurs, cette technique consistant à sonder n’importe qui à l’aide d’une charge fonctionne à merveille dans les systèmes conducteurs d’électricité, mais elle ne peut pas être utilisée pour sonder n’importe qui dans des systèmes non conducteurs. Et les systèmes non conducteurs ont le potentiel d’être utiles à des températures plus élevées que les systèmes conducteurs, qui doivent être proches zéro absolu. Cela en fait une option plus pratique de l’informatique quantique topologique.
Pour cette nouvelle recherche, Feldman, qui en 2017 faisait partie d’une équipe qui mesuré la conductance thermique de anyons pour la première fois, a collaboré avec l’étudiant diplômé de Brown Zezhu Wei et Vesna Mitrovic, professeur de physique et expérimentateur de Brown. Wei, Feldman et Mitrovic ont montré que la comparaison des propriétés de conductance thermique dans des solides bidimensionnels gravés dans des géométries très spécifiques pourrait révéler les statistiques des anyons dans ces systèmes.
“Toute différence dans la conductance thermique dans les deux géométries serait une preuve flagrante de statistiques fractionnelles”, a déclaré Mitrovic. “Ce que cette étude fait, c’est montrer exactement comment les gens devraient mettre en place des expériences dans leurs laboratoires pour tester ces statistiques étranges.”
En fin de compte, les chercheurs espèrent que l’étude est une étape vers la compréhension si le comportement étrange d’anyons peut effectivement être exploité pour l’informatique quantique topologique.
Référence : “Thermal Interferometry of Anyons in Spin Liquids” par Zezhu Wei, V. F. Mitrović et D. E. Feldman, 11 octobre 2021, Lettres d’examen physique.
DOI : 10.1103/PhysRevLett.127.167204
La recherche a été soutenue par la National Science Foundation (DMR-1902356, QLCI-1936854, DMR-1905532).
