Discarded particles dubbed 'neglectons' may unlock universal quantum computing
Aes particules rejetées, appelées « néglectons », pourraient ouvrir la voie à l'informatique quantique universelle
Par l'Université de Californie du Sud
Édité par Sadie Harley, relu par Robert Egan
Notes de la rédaction
Crédit : CC0 Domaine public
Les ordinateurs quantiques ont le potentiel de résoudre des problèmes bien au-delà de la portée des supercalculateurs les plus rapides d'aujourd'hui. Mais les machines actuelles sont notoirement fragiles. Les bits quantiques, ou « qubits », qui stockent et traitent l'information sont facilement perturbés par leur environnement, ce qui entraîne des erreurs qui s'accumulent rapidement.
L'une des approches les plus prometteuses pour relever ce défi est l'informatique quantique topologique, qui vise à protéger l'information quantique en l'encodant dans les propriétés géométriques de particules exotiques appelées anyons. Ces particules, dont la présence est prédite dans certains matériaux bidimensionnels, devraient être bien plus résistantes au bruit et aux interférences que les qubits conventionnels.
« Parmi les principaux candidats à la construction d'un tel ordinateur figurent les anyons d'Ising, qui font déjà l'objet de recherches approfondies dans les laboratoires de matière condensée en raison de leur potentiel de réalisation dans des systèmes exotiques comme l'état Hall quantique fractionnaire et les supraconducteurs topologiques », a déclaré Aaron Lauda, professeur de mathématiques, de physique et d'astronomie à l'USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences et auteur principal de l'étude.
« À eux seuls, les anyons d'Ising ne peuvent pas effectuer toutes les opérations nécessaires à un ordinateur quantique polyvalent. Les calculs qu'ils prennent en charge reposent sur le "tressage", c'est-à-dire le déplacement physique des anyons les uns autour des autres pour exécuter la logique quantique. Pour les anyons d'Ising, ce tressage ne permet qu'un ensemble limité d'opérations appelées portes de Clifford, qui sont inférieures à la puissance totale requise pour l'informatique quantique universelle.»
Mais dans une étude publiée dans Nature Communications, une équipe de mathématiciens et de physiciens dirigée par des chercheurs de l'USC a démontré une solution de contournement surprenante.
En ajoutant un nouveau type d'anyon, jusqu'alors ignoré dans les approches traditionnelles du calcul quantique topologique, l'équipe démontre que les anyons d'Ising peuvent être rendus universels et capables d'effectuer n'importe quel calcul quantique par simple tressage.
L'équipe a baptisé ces particules récupérées « néglectons », un nom qui reflète à la fois leur statut négligé et leur importance nouvelle. Ce nouvel anyon émerge naturellement d'un cadre mathématique plus large et fournit précisément l'ingrédient manquant pour compléter la boîte à outils informatique.
Des déchets mathématiques au trésor quantique
La clé réside dans une nouvelle classe de théories mathématiques appelées théories quantiques des champs topologiques non semi-simples (TQFT). Celles-ci étendent les cadres « semi-simples » standard que les physiciens utilisent généralement pour décrire les anyons. Les modèles traditionnels simplifient les mathématiques sous-jacentes en éliminant les objets ayant ce que l'on appelle la « trace quantique zéro », les déclarant ainsi inutiles.
« Mais ces objets rejetés se révèlent être la pièce manquante », explique Lauda. « C'est comme trouver un trésor dans ce que tout le monde considérait comme des déchets mathématiques. »
Le nouveau cadre conserve ces composantes négligées et révèle un nouveau type d'anyon, le neglecton, qui, combiné aux anyons d'Ising, permet un calcul universel par tressage seul. Point crucial : un seul neglecton est nécessaire, et il reste stationnaire pendant le calcul par tressage des anyons d'Ising autour de lui.
Une maison avec des pièces instables
Une maison aux pièces instables
Cette découverte n'était pas sans poser de défis mathématiques. Le cadre non semi-simple introduit des irrégularités qui violent l'unitarité, un principe fondamental garantissant que la mécanique quantique préserve les probabilités. La plupart des physiciens auraient considéré cela comme une faille fatale.
Mais l'équipe de Lauda a trouvé une solution de contournement élégante. Ils ont conçu leur codage quantique pour isoler ces irrégularités mathématiques du calcul réel. « Imaginez la conception d'un ordinateur quantique dans une maison aux pièces instables », explique Lauda. « Au lieu de réparer chaque pièce, vous vous assurez que tous les calculs se déroulent dans les zones structurellement saines, tout en excluant les espaces problématiques. »
« Nous avons efficacement isolé les parties étranges de la théorie », explique Lauda. « En concevant soigneusement l'emplacement de l'information quantique, nous nous assurons qu'elle reste dans les parties de la théorie qui se comportent correctement, de sorte que le calcul fonctionne même si la structure globale est mathématiquement inhabituelle. »
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Des mathématiques pures à la réalité quantique
Cette avancée illustre comment les mathématiques abstraites peuvent résoudre des problèmes d'ingénierie concrets de manière inattendue.
« En adoptant des structures mathématiques auparavant considérées comme inutiles, nous avons ouvert un tout nouveau chapitre pour l'informatique quantique », a déclaré Lauda.
Cette recherche ouvre de nouvelles perspectives, tant en théorie qu'en pratique. Sur le plan mathématique, l'équipe s'efforce d'étendre son cadre à d'autres valeurs de paramètres et de clarifier le rôle de l'unitarité dans les TQFT non semi-simples.
Sur le plan expérimental, ils cherchent à identifier des plateformes matérielles spécifiques où le négligeon stationnaire pourrait apparaître et à développer des protocoles qui traduisent leur approche basée sur le tressage en opérations quantiques réalisables.
« Ce qui est particulièrement passionnant, c'est que ces travaux nous rapprochent de l'informatique quantique universelle avec des particules que nous savons déjà créer », a déclaré Lauda.
« Les mathématiques offrent un objectif clair : si les expérimentateurs parviennent à réaliser cet anyon stationnaire supplémentaire, cela pourrait libérer toute la puissance des systèmes basés sur la loi d'Ising. »
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RESUME
Des particules rejetées, appelées « néglectons », pourraient ouvrir la voie à l'informatique quantique universelle.
Les ordinateurs quantiques ont le potentiel de résoudre des problèmes bien au-delà de la portée des supercalculateurs les plus rapides d'aujourd'hui. Mais les machines actuelles sont notoirement fragiles. Les bits quantiques, ou « qubits », qui stockent et traitent l'information sont facilement perturbés par leur environnement, ce qui entraîne des erreurs qui s'accumulent rapidement.
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COMMENTAIRES
D abord pour mes élèves :
Quelles sont les faiblesses des ordinateurs quantiques ?
Les ordinateurs quantiques sont sensibles au bruit et difficiles à calibrer. Contrairement aux ordinateurs traditionnels, qui subissent un basculement de bit de 0 à 1 ou inversement, les erreurs quantiques sont plus difficiles à corriger, car les qubits peuvent prendre un nombre infini d'états.
Pour les plus grands je rappelle quej en ai parlé recemment ; a quoi bon vouloir calculer plus et plus vite si c est pour obtenir un résultat faux ???!!!
Les auteurs de cet article sont délibéremment optimiste ! Si le bruit et l environnement sont défavorables le qubit est bien trop fragile pour tenir la route !!
L ordinateur quantique est un faux espoir et on nous intoxique avec ces projets !!!!
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More information: Universal quantum computation using Ising anyons from a non-semisimple topological quantum field theory, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-61342-8
Journal information: Nature Communications
Provided by University of Southern California
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