IBM et une équipe internationale de chercheurs ont synthétisé et caractérisé une molécule aux propriétés électroniques jamais observées, validée grâce à l'informatique quantique. Une première mondiale, publiée dans la revue Science.
C'est une découverte qui fait avancer en même temps deux disciplines. D'un côté, la chimie, car pour la première fois, une molécule à topologie électronique demi-Möbius a été synthétisée et observée dans une molécule isolée. De l'autre, l'informatique quantique, qui prouve ici qu'elle peut produire de vraies connaissances scientifiques, au-delà des démonstrations théoriques. La recherche présentée dans la revue Science et détaillée par IBM ce lundi 9 mars coche toutes les cases d'une découverte majeure.
Une molécule à topologie demi-Möbius que la chimie n'avait jamais vue
La molécule C₁₃Cl₂ n'est pas comme les autres. Imaginez un ruban de Möbius, cette boucle torsadée qui n'a qu'une seule face. Ses électrons décrivent une spirale dans sa structure : ils effectuent une torsion de 90 degrés à chaque boucle, et il leur faut quatre circuits complets pour retrouver leur phase initiale. Cette propriété extraordinaire, appelée topologie demi-Möbius, n'avait jamais été observée dans aucune molécule isolée.
Pour l'assembler, les chercheurs d'IBM sont partis d'une molécule précurseur fabriquée à Oxford, puis ont retiré les atomes superflus un à un, comme des sculpteurs qui travaillent à l'échelle de l'infiniment petit, ou dans des termes plus techniques, grâce à des impulsions de tension précisément calibrées. L'opération s'est déroulée dans un vide quasi total et à des températures proches du zéro absolu, soit -273°C. Une précision rendue possible grâce aux techniques de microscopie à effet tunnel et à force atomique, deux innovations nées chez IBM dans les années 1980, qui permettent de visualiser et de manipuler la matière atome par atome.
Autre surprise, C₁₃Cl₂ peut changer de configuration électronique à la demande, en basculant entre trois états (spirale vers la droite, spirale vers la gauche, ou pas de spirale du tout). Concrètement, cela signifie que la topologie électronique n'est plus seulement une propriété que l'on découvre dans la nature. Elle peut désormais être conçue et contrôlée. Alessandro Curioni, directeur d'IBM Research Zurich, explique avoir d'abord « conçu une molécule dont nous pensions qu'elle pourrait être créée, puis nous l'avons fabriquée, et enfin nous avons validé cette molécule et ses propriétés exotiques à l'aide d'un ordinateur quantique. »
L'informatique quantique décode ce que les supercalculateurs classiques ne peuvent pas résoudre
Fabriquer la molécule était une chose, mais comprendre pourquoi ses électrons se comportaient ainsi en était une autre. À l'intérieur de C₁₃Cl₂, chaque électron influence tous les autres en même temps, ce qui crée un enchevêtrement de plus en plus difficile à modéliser. Pour modéliser ce ballet, la puissance de calcul nécessaire croît de façon exponentielle, un mur contre lequel les machines classiques finissent inexorablement par buter.
C'est là qu'entrent en jeu les ordinateurs quantiques. Contrairement aux machines classiques, ils ne fonctionnent pas avec des 0 et des 1. Leurs unités de base, les qubits, obéissent aux mêmes lois quantiques que les électrons qu'ils sont censés simuler. Ils parlent, en quelque sorte, le même langage que la matière. Résultat, là où un supercalculateur classique plafonne à 18 électrons simulés avec précision, l'ordinateur quantique d'IBM a pu en modéliser 32 simultanément.
Grâce à cette simulation, les chercheurs ont pu confirmer que les électrons de C₁₃Cl₂ occupent bien des trajectoires en spirale (la signature caractéristique de la topologie demi-Möbius) et identifier le phénomène physique qui en est responsable. Une avancée qui résonne avec le rêve formulé il y a plusieurs décennies par le physicien Richard Feynman, à savoir construire un ordinateur capable de simuler la nature de l'intérieur, à l'échelle quantique. Avec cette expérience, ce rêve cesse d'être une promesse pour devenir une réalité tangible.
