What in the world is topological quantum matter? - Fan Zhang

Traducteur: gilles damianthe Relecteur: eric vautier

What if electricity could travel forever without being diminished?

Et si l'électricité pouvait voyager indéfiniment sans aucune perte ?

What if a computer could run exponentially faster with perfect accuracy?

Et si les ordinateurs pouvaient marcher toujours plus vite de façon exacte ?

What technology could those abilities build?

Que pourrions-nous bâtir avec ces capacités ?

We may be able to find out thanks to the work of the three scientists

Nous pourrions le découvrir grâce au travail

who won the Nobel Prize in Physics in 2016.

des trois scientifiques qui ont remporté le prix Nobel de Physique en 2016.

David Thouless,

David Thouless,

Duncan Haldane,

Duncan Haldane,

and Michael Kosterlitz won the award for discovering

et Michael Kosterlitz ont remporté le prix pour avoir découvert

that even microscopic matter at the smallest scale

que même une quantité de matière microscopique

à la plus petite échelle peut présenter

can exhibit macroscopic properties and phases that are topological.

des propriétés macroscopiques et des états qui sont topologiques.

But what does that mean?

Mais qu'est-ce que cela signifie ?

First of all, topology is a branch of mathematics

Tout d'abord, la topologie est une branche des mathématiques

that focuses on fundamental properties of objects.

qui se concentre sur les propriétés fondamentales des objets.

Topological properties don't change when an object is gradually stretched or bent.

Les propriétés topologiques ne changent pas

lorsqu'un objet est progressivement étiré ou tordu.

The object has to be torn or attached in new places.

L'objet doit être déchiré ou attaché en de nouveaux points.

A donut and a coffee cup look the same to a topologist

Pour un topologiste, un donut et une tasse à café se ressemblent

because they both have one hole.

parce qu'ils ont tous les deux un trou.

You could reshape a donut into a coffee cup

Vous pourriez remodeler un donut en une tasse de café

and it would still have just one.

et il n'en aurait encore qu'un.

That topological property is stable.

Cette propriété topologique est stable.

On the other hand, a pretzel has three holes.

D'un autre côté, un bretzel a trois trous.

There are no smooth incremental changes that will turn a donut into a pretzel.

Il n'y a pas de changement progressif qui puisse transformer un donut en bretzel.

You'd have to tear two new holes.

il faudrait déchirer deux nouveaux trous.

For a long time, it wasn't clear whether topology was useful

Pendant longtemps, il n'était pas évident de savoir si la topologie était utile

for describing the behaviors of subatomic particles.

pour décrire le comportement de particules subatomiques.

That's because particles, like electrons and photons,

C'est parce que les particules, comme les électrons et les photons,

are subject to the strange laws of quantum physics,

sont soumises aux lois étranges de la physique quantique,

which involve a great deal of uncertainty

qui impliquent beaucoup d'incertitude

that we don't see at the scale of coffee cups.

que nous ne voyons pas à l'échelle des tasses à café.

But the Nobel Laureates discovered that topological properties

Mais les lauréats du prix Nobel ont découvert

do exist at the quantum level.

que les propriétés topologiques existent au niveau quantique.

And that discovery may revolutionize materials science,

Et cette découverte pourrait révolutionner la science des matériaux,

electronic engineering,

l'ingénierie électronique,

and computer science.

et l'informatique.

That's because these properties lend surprising stability

C'est parce que ces propriétés montrent une stabilité étonnante

and remarkable characteristics to some exotic phases of matter

et des caractéristiques remarquables pour des états exotiques de la matière

in the delicate quantum world.

dans le délicat monde quantique.

One example is called a topological insulator.

Un exemple est appelé un isolant topologique.

Imagine a film of electrons.

Imaginez un film d'électrons.

If a strong enough magnetic field passes through them,

Si un champ magnétique assez fort passe à travers eux,

each electron will start traveling in a circle,

chaque électron va commencer à voyager sur un cercle,

which is called a closed orbit.

qui est appelé une orbite fermée.

Because the electrons are stuck in these loops,

Parce que les électrons sont bloqués dans ces boucles,

they're not conducting electricity.

ils ne conduisent pas l'électricité.

But at the edge of the material,

Mais sur le bord du matériau,

the orbits become open, connected, and they all point in the same direction.

les orbites sont ouvertes, connectées, et pointent toutes dans la même direction.

So electrons can jump from one orbit to the next

Ainsi, des électrons peuvent sauter d'une orbite à la suivante

and travel all the way around the edge.

et voyager tout le long du bord.

This means that the material conducts electricity around the edge

Cela signifie que le matériau conduit l'électricité sur le bord

but not in the middle.

mais pas au milieu.

Here's where topology comes in.

C'est là que la topologie entre en jeu.

This conductivity isn't affected by small changes in the material,

Cette conductivité n'est pas affectée par de petits changements dans le matériau,

like impurities or imperfections.

comme des impuretés ou des imperfections.

That's just like how the hole in the coffee cup

C'est juste comme le trou dans la tasse de café

isn't changed by stretching it out.

qui ne change pas en l'étirant.

The edge of such a topological insulator has perfect electron transport:

Le bord d'un tel isolant topologique

constitue un transport d'électrons parfait :

no electrons travel backward,

aucun électron ne voyage en arrière,

no energy is lost as heat,

aucune énergie n'est perdue sous forme de chaleur,

and the number of conducting pathways can even be controlled.

et même le nombre de voies conductrices peut être contrôlé.

The electronics of the future could be built

L'électronique du futur pourrait être construite

to use this perfectly efficient electron highway.

pour utiliser ces autoroutes électroniques parfaitement efficaces.

The topological properties of subatomic particles

Les propriétés topologiques de particules subatomiques

could also transform quantum computing.

pourrait aussi transformer l'informatique quantique.

Quantum computers take advantage of the fact

Les ordinateurs quantiques tirent profit du fait

that subatomic particles can be in different states at the same time

que les particules subatomiques peuvent être

dans différents états au même moment

to store information in something called qubits.

pour stocker des informations dans quelque chose appelé qubits.

These qubits can solve problems exponentially faster

Ces qubits peuvent résoudre des problèmes exponentiellement plus vite

than classical digital computers.

que les ordinateurs numériques classiques.

The problem is that this data is so delicate

Le problème est que ces données sont si délicates

that interaction with the environment can destroy it.

qu'une interaction avec l'environnement pourraient les détruire.

But in some exotic topological phases,

Mais dans certaines états topologiques exotiques,

the subatomic particles can become protected.

les particules subatomiques peuvent devenir protégées.

In other words, the qubits formed by them

En d'autres termes, les qubits qu'elles forment

can't be changed by small or local disturbances.

ne peuvent pas être altérées par de petites perturbations locales.

These topological qubits would be more stable,

Ces qubits topologiques seraient plus stables,

leading to more accurate computation and a better quantum computer.

ce qui conduirait à des calculs plus précis

et à un meilleur ordinateur quantique.

Topology was originally studied as a branch of purely abstract mathematics.

La Topologie a été étudiée à l'origine

comme une branche purement abstraite des mathématiques.

Thanks to the pioneering work of Thouless, Haldane, and Kosterlitz,

Grâce au travail de pointe de Thouless, Haldane et Kosterlitz,

we now know it can be used to understand the riddles of nature

nous savons maintenant qu'elle peut être utilisée

pour comprendre les énigmes de la nature

and to revolutionize the future of technologies.

et révolutionner l'avenir des technologies.