La physique quantique est une science qui peut paraître complètement folle. C’est normal vous dirait le physicien américain Richard Feynman, prix Nobel 1965 pour avoir posé les bases de l’ordinateur quantique, qui se plaisait à rassurer ses étudiants : « Si en sortant de ce cours vous pensez avoir compris la mécanique quantique, c’est que vous n’avez pas compris la mécanique quantique ». Dis comme ça…détendons-nous. Les lois de l’infiniment petit ne se laissent pas aisément observer ? Pour un embryon de réflexion, ce pourrait être aussi léger qu’un épisode de Star Trek (l’uniforme so eighties en moins) on vous dit !
Alors qui est l’anyon et qu’apporte-t-il ?
C’est une quasi particule intermédiaire entre les fermions, particules de base constituant la matière, et les bosons, particules messagères, vecteurs de force qui assurent les interactions fondamentales (les particules élémentaires étant les plus petits objets physiques dont sont constituées la matière et les forces de l’univers). À mi-chemin entre les deux, l’anyon (any en anglais) possède une mémoire contrairement aux deux autres, ce qui le rend si précieux pour coder de l’information ! Dans le tableau des douze particules de la matière – qui n’est pas remis en cause par son arrivée – ce sont les électrons et leurs agissements qui nous occupent ici. La quasi particule ne vivant pas toute seule dans le vide, décrira plus simplement des comportements collectifs complexes, même si on ne les appréhende pas encore très bien.
Une histoire de comportement répulsif ou attractif
En résumé, les particules bosons ont l’instinct grégaire et obéissent à la statistique Bose-Einstein tandis que les particules fermions n’apprécient guère la promiscuité dans le même état quantique que leurs voisins et sont régis par celle de Fermi-Dirac. D’un côté du tableau se trouvent donc les fermions s’excluant mutuellement ne pouvant être au même endroit en ayant les mêmes propriétés. Nucléons et électrons sont des fermions. Ce principe d’exclusion explique notamment la différence entre isolants et conducteurs.
C’est une quasi particule intermédiaire entre les fermions, particules de base constituant la matière, et les bosons, particules messagères, vecteurs de force qui assurent les interactions fondamentales
Et de l’autre côté se tiennent les bosons enclins à se rassembler en nombre dans le même état physique. Le photon, qui décrit la propagation de la lumière, en bon boson va avoir tendance à se rassembler en masse avec la même structure spatiale. C’est le principe du laser dont la capacité de concentration en masse justifie la puissance lumineuse et la grande directivité présentant les applications que l’on connaît. Les fermions sont donc des particules individualistes à l’opposé des bosons qui sont altruistes.
Comment et pourquoi ces anyons pourraient contribuer à contrecarrer les effets ineffables du phénomène de décohérence liés aux qubits que l’on utilise actuellement ?
Dans un espace à trois dimensions ou plus, les particules ne peuvent être que des bosons ou des fermions. Si l’on cherche à échanger ces derniers entre eux, on va donc déterminer des comportements d’exclusion ou de rassemblement. Et si l’on fait deux échanges successifs toutes les informations existantes seront perdues, ces deux types de particules n’ayant aucune mémoire des échanges entre elles. On trouve des anyons dans des interfaces à deux dimensions.
Et ce qui est nouveau selon Gwendal Fève, c’est qu’avec les anyons, « il reste une trace de cet échange grâce à une phase intermédiaire dans un univers en 2D. Les nœuds formés permettent de conserver une trace, donc une mémoire de la manière dont on les a déplacés et enroulés les uns autour des autres. C’est là qu’intervient la notion de topologie – étudiant des propriétés invariantes dans la déformation géométrique des objets et dans les transformations continues appliquées à des êtres mathématiques – pour comprendre l’apparition de cette mémoire constituant une différence fondamentale ». Cependant ces calculs se heurtent très vite à l’ennemi numéro un de l’ordinateur quantique, la décohérence quantique.
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Mark-Olivier Goerbig, directeur de recherche CNRS au laboratoire de physique des solides de l’Université Paris Saclay explique : « Pour avoir un qubit, c’est à dire la brique élémentaire d’un ordinateur quantique il faut avoir un système à deux ou plusieurs états et pourvoir faire une superposition quantique de ces états. S’ensuivront des calculs afin de lire un résultat final. Ce processus de calcul est soumis à beaucoup d’aléas qu’on nomme décohérence. Celle-ci va détruire la superposition de ces états ». Les recherches s’orientent donc sur la protection dite « topologique » du calcul. Et c’est là où entre en jeu le rôle de l’anyon qui pourrait apporter une forme de stabilité à ces qubits et une possibilité de lire l’historique de transformation.
Gwendal Fève souligne qu’ « il reste une difficulté à franchir. Les anyons que nous avons utilisés et mis en évidence ne permettent pas de coder des messages complexes, ni qui pourraient être utiles à un ordinateur. Il faudrait des briques de base, ces anyons, qui lorsqu’on les échange n’accumulent pas une information contenue dans un nombre, mais qui serait contenue dans une matrice. Là on pourrait exploiter toutes les possibilités de coder des messages. Et ça c’est ce qu’on appelle les anyons non abéliens, qu’il faudrait utiliser pour bénéficier du calcul quantique topologique ».
En attente d’une preuve expérimentale, même si les propriétés exotiques des anyons se confirment
Pour l’heure, ces quasi-particules demeurent conceptuelles sur le papier. La petite dernière de cette famille qui s’agrandit se nomme « pi-ton » et vient d’être observée par « erreur » par les physiciens de l’Université technique de Vienne en Autriche investiguant sur tout autre chose. La trouvaille est parue dans la revue Physical Review Letter le 4 février 2020. Mais elle aussi n’a fait que l’objet d’étude via des simulations informatiques, même si sa réalité ne fait aucun doute pour l’équipe autrichienne : « Nous avons tenté d’observer la quasi-particule dans différents modèles. Elle n’a cessé d’apparaître. Des expériences supplémentaires réalisées avec des photons et des neutrons devraient bientôt clarifier tout cela » assure Karsten Held.
L’information « délocalisée » qu’ils contiennent – non plus encodée dans des qubits locaux mais dans un espace de fusion d’un ensemble d’anyons – garantirait une protection naturelle contre les erreurs
Néanmoins une piste prometteuse dans le domaine de l’informatique quantique
Microsoft associé à Google avait annoncé sa suprématie quantique et son approche originale de « l’informatique quantique topologique » dans la bataille contre la décohérence. « La réalisation de Google est importante mais il faut revisiter cette supériorité car elle n’a été démontrée que sur Une tâche, très spécifique. Attendons de voir comment eux ou d’autres utiliseront ce microprocesseur quantique sur d’autres algorithmes » souligne prudemment Sébastien Tanzilli, responsable de l’équipe Photonique & informations quantiques, CNRS – Université Côte d’Azur.
La prochaine étape ?
Pour le moment c’est une transition observationnelle très importante. De là à réussir à concrétiser le stade de l’application et de l’utilisation des anyons pour les intégrer en tant que qubits dans un ordinateur quantique fonctionnel, ça prendra du temps ! On est effectivement très loin de pouvoir produire les milliers de qubits nécessaires apportant une réponse généralisée, les calculs actuels se limitant à des opérations élémentaires expérimentales sur un nombre limité de qubits. Pouvoir augmenter leur nombre – sans que le temps de cohérence ne s’en trouve diminué ni que la capacité d’identifier les qubits ne perde en précision – serait l’idéal pour prévenir la perte d’information.
Pour l’instant les scientifiques recherchent comment le déroulement des calculs pourrait être achevé avant que l’information ne soit dégradée. Probablement grâce à ces anyons spécifiques dits « non abéliens » occasionnant une manipulation topologiquement protégée. L’information « délocalisée » qu’ils contiennent – non plus encodée dans des qubits locaux mais dans un espace de fusion d’un ensemble d’anyons – garantirait une protection naturelle contre les erreurs – qui ont en général une action locale – générées par l’interaction avec l’environnement.
