Une équipe dirigée par des chercheurs du California NanoSystems Institute de l’UCLA a conçu un matériau unique basé sur un supraconducteur classique, c’est-à-dire une substance qui permet aux électrons de le traverser sans résistance dans certaines conditions, comme une température extrêmement basse. Le matériau expérimental a montré des propriétés indiquant son potentiel pour une utilisation dans l’informatique quantique, une technologie en développement dont les capacités dépassent celles des ordinateurs numériques classiques.
Le papier est publié dans le journal Nature.
Les supraconducteurs classiques tombent généralement en panne sous l’effet de champs magnétiques d’une certaine intensité. Le nouveau matériau a continué à conserver ses propriétés supraconductrices sous un champ magnétique bien plus élevé que la limite théorique d’un supraconducteur classique. L’équipe a également mesuré l’intensité du courant électrique que le nouveau matériau peut supporter avant de rompre la supraconductivité, en appliquant de l’électricité dans une direction, puis dans la direction opposée. Les chercheurs ont découvert qu’une direction permettait un courant nettement plus élevé que l’autre. C’est ce que l’on appelle souvent l’effet diode supraconductrice. En revanche, les supraconducteurs classiques perdraient leur propriété de résistance nulle à courant égal dans les deux sens.
Les ordinateurs quantiques fonctionnent selon des règles contre-intuitives qui régissent l’interaction des particules subatomiques. L’unité d’information de base en informatique quantique, le qubit, peut avoir une multitude de valeurs. Le bit, unité d’information de base en informatique classique, ne peut avoir qu’une seule valeur parmi deux.
Les ordinateurs quantiques pourraient certes effectuer des calculs dont les ordinateurs traditionnels sont incapables, mais cette technologie en est encore à ses balbutiements et des obstacles doivent encore être surmontés avant de pouvoir concrétiser ses promesses. L’un de ces obstacles est la fragilité du qubit. De légers changements de conditions peuvent faire perdre aux qubits leurs propriétés quantiques, qui ne durent que quelques millionièmes de seconde.
Les chercheurs ont émis l’hypothèse qu’un type non conventionnel de supraconducteur, appelé supraconducteur chiral, pourrait aider à augmenter la capacité des qubits à maintenir leur précision tout en exécutant les étapes d’un programme.
Les supraconducteurs chiraux et conventionnels dépendent tous deux de phénomènes quantiques. Des paires d’électrons se lient à distance dans un état appelé intrication, qui impose certaines règles aux propriétés des électrons. Dans les supraconducteurs conventionnels, pour respecter ces règles, les électrons intriqués se déplacent dans des directions opposées et tournent dans des directions opposées. Dans les supraconducteurs chiraux, les électrons intriqués peuvent tourner dans la même direction, et ils doivent respecter des règles qui rendent la relation entre leurs mouvements extrêmement complexe, ouvrant potentiellement de nouvelles possibilités pour adapter le flux de courant ou le traitement de l’information.
En raison de ce contraste, l’activité des électrons dans les supraconducteurs classiques présente des symétries qui sont brisées dans les supraconducteurs chiraux, ce qui favorise le flux dans un sens plutôt que dans l’autre, comme on le voit dans l’effet de diode supraconductrice. Aujourd’hui, seuls quelques composés sont candidats à la supraconductivité chirale, et ils sont extrêmement rares. Dans l’étude actuelle, les chercheurs ont trouvé un moyen de personnaliser leur matériau pour amener un supraconducteur classique à agir comme un supraconducteur chiral.
L’équipe dirigée par l’UCLA a créé un réseau à couches alternées. Une couche en disulfure de tantale, un supraconducteur classique, était aussi fine que trois atomes. La suivante était constituée d’une couche moléculaire « gauchère » ou « droite » d’un autre composé. Les chercheurs ont testé de minuscules dispositifs à l’échelle nanométrique fabriqués à partir de leur réseau pour évaluer si le matériau présentait les propriétés d’un supraconducteur chiral.
L’informatique quantique peut donner lieu à des innovations telles qu’une cybersécurité infaillible, une intelligence artificielle surpuissante et des simulations haute fidélité de phénomènes, allant de l’action des médicaments dans le corps à la fluidité du trafic urbain en passant par les fluctuations des marchés financiers. Pour parvenir à ces applications, les ordinateurs quantiques devront faire des progrès dans leur capacité à fonctionner malgré les perturbations potentielles des qubits fragiles. Les circuits supraconducteurs sont fondamentaux pour de nombreuses approches de l’informatique quantique, et l’effet de diode supraconductrice obtenu par les supraconducteurs chiraux devrait être utile pour créer des qubits plus efficaces et plus stables.
Outre son utilité pour l’informatique quantique, l’effet diode supraconductrice des supraconducteurs chiraux pourrait permettre aux technologies électroniques et de communication conventionnelles de fonctionner beaucoup plus rapidement tout en minimisant la consommation d’énergie. Ces qualités sont particulièrement bien adaptées aux applications spécialisées telles que les ordinateurs fonctionnant à des températures extrêmement basses dans l’espace lointain.
Étant donné que les supraconducteurs chiraux sont si difficiles à trouver, leur conception à partir d’ingrédients plus facilement disponibles, comme dans le nouveau matériau hybride décrit dans cette étude, pourrait aider à libérer le potentiel de l’informatique quantique tout en améliorant les appareils électroniques.
Plus d’information:
Zhong Wan et al., Supraconductivité non conventionnelle dans les super-réseaux hybrides molécule chirale–TaS2, Nature (2024). DOI : 10.1038/s41586-024-07625-4