YORKTOWN HEIGHTS (New York), le 09 mars 2026 – Une équipe internationale de scientifiques d’IBM, de l’Université de Manchester, de l’Université d’Oxford, de l’ETH Zurich, de l’EPFL et de l’Université de Ratisbonne a créé et caractérisé une molécule sans équivalent connu à ce jour — une molécule dont les électrons se déplacent au sein de sa structure selon un motif en spirale, modifiant de façon fondamentale son comportement chimique. Publiée aujourd’hui dans Science, il s’agit de la première observation expérimentale d’une topologie électronique de type demi‑Möbius dans une molécule isolée.

À la connaissance des scientifiques, aucune molécule présentant une telle topologie n’avait jamais été synthétisée, observée ni même formellement prédite auparavant. Comprendre le comportement de cette molécule au niveau de sa structure électronique a impliqué quelque chose d’aussi fondamental : une simulation quantique de haute fidélité.

Cette découverte fait progresser la science sur deux fronts. Pour la chimie, elle démontre que la topologie électronique — la propriété qui détermine la manière dont les électrons se déplacent au sein d’une molécule — peut être conçue de manière intentionnelle, et n’est pas seulement présente dans la nature. Pour l’informatique quantique, il s’agit d’une démonstration concrète de la capacité d’une simulation quantique à accomplir ce pour quoi elle a été conçue : représenter directement le comportement quantique à l’échelle moléculaire afin de produire des connaissances scientifiques d’une grande importance pour la physique fondamentale et pour la conception moléculaire.

« Nous avons 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 », a déclaré Alessandro Curioni, IBM Fellow, Vice President, Europe and Africa, and Director of IBM Research Zurich. « Il s’agit d’un pas de géant vers le rêve formulé il y a plusieurs décennies par le physicien de renom Richard Feynman : construire un ordinateur capable de simuler au mieux la physique quantique et démontrer que, comme il le disait, « il y a beaucoup de place en bas ». Le succès de ces travaux de recherche nous rapproche de cette vision et ouvre la voie à de nouvelles manières d’explorer notre monde et la matière qui le compose. »

Une molécule jamais observée auparavant

La molécule, de formule C₁₃Cl₂, a été assemblée atome par atome par les équipes d’IBM à partir d’un précurseur sur mesure synthétisé à l’Université d’Oxford. Les atomes individuels ont été retirés un par un grâce à des impulsions de tension précisément calibrées, dans des conditions d’ultra‑vide et à des températures proches du zéro absolu.

Des expériences, menées à l’aide de la microscopie à effet tunnel et de la microscopie à force atomique — deux techniques pionnières développées par IBM — et combinées au calcul quantique, ont révélé une configuration électronique sans équivalent dans les annales de la chimie : une structure électronique qui effectue une torsion de 90 degrés à chaque boucle, nécessitant quatre circuits complets pour revenir à sa phase initiale.

Cette topologie de type demi‑Möbius est qualitativement différente de toutes les molécules connues jusqu'à présent. Elle peut en outre être réversiblement commutée entre trois états — une torsion horaire, une torsion antihoraire et un état non torsadé — démontrant que la topologie électronique n’est pas seulement une propriété à découvrir, mais qu’elle peut désormais être délibérément conçue dans des conditions spécifiques.

Un outil scientifique novateur : le supercalculateur quantique

Les scientifiques ayant mené cette expérience ont créé une molécule qui n’avait jamais existé auparavant. Il leur fallait désormais comprendre pourquoi cela fonctionnait — une tâche qui représentait un défi pour les ordinateurs classiques. Les électrons au sein de C₁₃Cl₂ interagissent de manière profondément intriquée, chacun influençant simultanément tous les autres. Modéliser de façon exacte ce comportement nécessite de suivre l’ensemble des configurations possibles de ces interactions en parallèle, ce qui exige des capacités de calcul qui augmentent de manière exponentielle et peuvent rapidement submerger les machines classiques.

Les ordinateurs quantiques sont différents par nature car ils fonctionnent selon les mêmes lois de la mécanique quantique qui régissent le comportement des électrons dans les molécules. Ils peuvent ainsi représenter directement ces systèmes de façon tout à fait naturelle. Ils « parlent » le même langage fondamental que la matière qu’ils sont conçus pour étudier — et cette distinction, longtemps restée largement théorique, peut désormais contribuer à produire des résultats scientifiques concrets.

Cette capacité offre un potentiel considérable pour permettre aux ordinateurs quantiques de soutenir des expérimentations du monde réel avec les processus d’un supercalculateur quantique. En intégrant des unités de traitement quantique (QPU), des CPU et des GPU, la plateforme de supercalculateur quantique permet de décomposer des problèmes complexes en plusieurs parties, orchestrées et résolues en fonction des atouts de chaque système — réalisant ainsi ce qu’aucun paradigme de calcul pris isolément ne pourrait accomplir.

En utilisant un ordinateur quantique IBM au sein d’un tel processus, l’équipe a identifié des orbitales moléculaires hélicoïdales pour la fixation des électrons, une empreinte de la topologie demi‑Möbius. De plus, la simulation par informatique quantique a permis de révéler le mécanisme à l’origine de la formation de cette topologie inhabituelle : un effet pseudo–Jahn–Teller hélicoïdal.

Cette avancée s’inscrit dans la longue tradition d’IBM en matière de science à l’échelle nanométrique. Le microscope à effet tunnel (Scanning Tunneling Microscope, STM) a été inventé chez IBM en 1981 — une découverte pour laquelle les scientifiques d’IBM Gerd Binnig et Heinrich Rohrer ont reçu le prix Nobel en 1986. Sa création a permis aux chercheurs d’obtenir des images de surfaces atome par atome. En 1989, des chercheurs d’IBM ont mis au point la première méthode fiable pour manipuler des atomes individuels. Au fil des décennies, les équipes d’IBM ont étendu ces techniques pour concevoir et contrôler des structures moléculaires de plus en plus exotiques.

CITATIONS DES CHERCHEURS

Dr Igor Rončević, co‑auteur de l’article, Maître de conférences en chimie théorique et computationnelle à l’Université de Manchester :

« La chimie et la physique de l’état solide progressent en découvrant de nouvelles manières de contrôler la matière. Dans la seconde moitié du XXᵉ siècle, les effets de substituants étaient très étudiés. Par exemple, les chercheurs analysaient comment la puissance d’un médicament ou l’élasticité d’un matériau évoluait si, par exemple, un groupe méthyle était remplacé par du chlore. Le tournant du siècle nous a ensuite apporté la spintronique, introduisant le spin électronique comme un nouveau degré de liberté à exploiter et transformant le stockage des données. Aujourd’hui, nos travaux montrent que la topologie peut elle aussi constituer un degré de liberté commutable, ouvrant une nouvelle voie puissante pour contrôler les propriétés des matériaux. »

« La topologie non triviale de cette molécule — ainsi que le comportement exotique de nombreux autres systèmes — découle des interactions entre leurs électrons. Simuler les électrons avec des ordinateurs classiques est extrêmement difficile : il y a dix ans, nous pouvions modéliser exactement 16 électrons, et aujourd’hui nous pouvons aller jusqu’à 18. Les ordinateurs quantiques sont naturellement adaptés à ce type de problème, car leurs composants fondamentaux — les qubits — sont des objets quantiques qui reflètent les électrons. Grâce à l’ordinateur quantique d’IBM, nous avons pu explorer 32 électrons. Mais le plus enthousiasmant, c’est que ce n’est qu’un début. Le matériel quantique progresse rapidement, et l’avenir sera quantique. »

Dr Harry Anderson, co‑auteur de l’article, Professeur de chimie à l’Université d’Oxford :
« Il est remarquable que la structure de Lewis de C₁₃Cl₂ indique déjà qu’il s’agit d’une molécule chirale, ce que confirment l’expérience et les calculs de chimie quantiques. Il est tout aussi étonnant que les énantiomères puissent être interconvertis simplement en appliquant des impulsions de tension depuis la pointe de la sonde. »

Dr Jascha Repp, co‑auteur de l’article, Professeur de physique à l’Université de Ratisbonne:
 « Je suis vraiment enthousiaste de participer à un projet où le matériel quantique permet de faire de la véritable science, et pas seulement des démonstrations. Il est fascinant de constater qu’une molécule aussi minuscule puisse présenter une structure électronique aussi complexe, difficile à simuler de manière classique, et qu’elle soit à ce point torsadée et singulière qu’elle en donne presque le vertige. »