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Ettore Majorana est un personnage devenu légendaire au cours des ans. PhysicienPhysicien de génie que son ami et collègue Enrico FermiEnrico Fermi tenait potentiellement pour l'égal d'un Newton ou d'un GaliléeGalilée, il a mystérieusement disparu en 1938, juste après avoir laissé une théorie générale des particules quantiques douées d'un spin demi-entier, généralisant la théorie des électrons de Dirac. Il a aussi construit une alternative à cette théorie avec des cousins des fermions de Dirac que l'on appelle des fermions de Majorana.
Ces fermions pourraient exister aussi bien sous forme de particules fondamentales, par exemple des neutrinosneutrinos, que sous forme de « quasi-particules » dans les solides. Ces dernières ne seraient pas fondamentales mais plutôt des cousines de particules quantiques comme les phonons. On a cherché et finalement trouvé il y a quelques années ces fermions dans des nanofils en antimoniure d'indiumindium. La découverte a fasciné parce qu'elle ouvrait la porteporte à la réalisation de ce qu'on appelle des ordinateurs quantiques topologiques, des variantes des ordinateurs quantiquesordinateurs quantiques dont parle Claude AslangulClaude Aslangul dans la vidéo ci-dessus.
Rappelons qu'avec un ordinateur classique, le temps nécessaire pour trouver une clé de cryptage qui assure le secret des transactions bancaires (le fameux chiffrement RSA)) croît exponentiellement avec la taille de la clé, c'est-à-dire le nombre de chiffres qu'elle comporte. Avec un ordinateur quantique, ce temps augmente seulement comme une puissance de la taille. Un décryptage est donc possible bien plus rapidement.
Ettore Majorana est né à Catane, en Sicile, en 1906. Il est présumé disparu en mer Tyrrhénienne le 27 mars 1938. L'importance de certaines de ses idées n'a vraiment été comprise que depuis quelques dizaines d'années. © Wikipédia, DP
Plus généralement, que ce soit dans le cas de décomposition de grands nombres en produits de facteurs premiers, de la recherche d'informations dans une base de donnéesbase de données ou pour simuler des systèmes quantiques, les ordinateurs quantiques sont, en théorie, au moins dans certains cas, supérieurs aux classiques. Malheureusement, comme le rappelle Claude Aslangul (voir vidéo ci-dessus), pour les battre, les ordinateurs quantiques de puissance suffisante se doivent d'échapper au phénomène de la décohérence qui se manifeste notamment avec le paradoxe du chat de Schrödinger.
Des fermions de Majorana avec des électrons intriqués dans un nanofil
Des fermions de Majorana dans des structures en 2D à l'intérieur de solides se comporteraient comme des nouvelles particules inédites appelées anyons. Ce ne sont ni vraiment des fermions, comme les quarksquarks et les électrons, ni vraiment des bosonsbosons, comme les photonsphotons. Des lois topologiques rendraient la superposition quantique des états avec des qubitsqubits (les analogues quantiques des bits d'informations classiques) portés par ces anyons bien plus résistante à la décohérence. De telles lois topologiques stabilisant des configurations sont déjà connues pour les solitonssolitons classiques mais aussi quantiques (par exemple les skyrmions).
Qu'en est-il en réalité ? les qubits portés par des fermions de Majorana sont-ils effectivement moins sensibles à la décohérence que, par exemple, ceux portés par des noyaux d'atomesatomes ? C'est précisément ce qu'une équipe de chercheurs de l'institut Niels BohrNiels Bohr, au Danemark, a tenté de savoir, comme elle l'explique dans un article déposé sur arXiv. Les physiciens ont utilisé cette fois-ci des nanofils en arséniure d'indium (InAs), un semi-conducteursemi-conducteur.
Ces filaments ont été recouverts d'aluminiumaluminium qui devient supraconducteursupraconducteur à très basse température. Fortement refroidis, ils ont été connectés à des électrodesélectrodes en or et soumis à une différence de potentiel. Une chaîne d'électrons en état d'intrication quantiqueintrication quantique mutuelle se forme alors dans le nanofil entre les deux électrodes. Ce sont les électrons aux deux extrémités de cette chaîne qui se comportent comme un seul fermion de Majorana. La théorie prédit que si ces électrons, qui sont intriqués, résistent particulièrement bien à la décohérence, l'ajout d'un électron dans un nanofil doit nécessiter une énergieénergie qui décroît exponentiellement avec la longueur du nanofil. C'est bien ce qui a été constaté avec divers filaments dont les longueurs variaient de 330 nanomètresnanomètres à 1,5 micromètremicromètre.
Le phénomène de protection contre l'effet de la décohérence est donc bien là, comme attendu. Reste encore à prouver qu'il opère aussi avec l'efficacité désirée lorsque l'on utilise bien plusieurs fermions de Majorana portant des qubits.
