Investigadores de la Universidad de Pennsylvania, en colaboración con Johns Hopkins University y Goucher College, han descubierto un nuevo material topológico que puede permitir la computación cuántica tolerante a fallos. Es una forma de computación que aprovecha el poder de los átomos y los fenómenos subatómicos para realizar cálculos significativamente más rápido que las computadoras actuales y potencialmente podría conducir a avances en el desarrollo de fármacos y otros sistemas complejos.

La investigación, publicado en ACS Nano , fue dirigido por Jerome Mlack, investigador postdoctoral en el Departamento de Física y Astronomía de la Facultad de Artes y Ciencias de Penn, y sus mentoras Nina Markovic, ahora profesor asociado en Goucher, y Marija Drndic, Fay R. y Eugene L. Langberg Profesores de Física en Penn. Los estudiantes de posgrado de Penn, Gopinath Danda y Sarah Friedensen, que recibió una beca NSF para este trabajo, y la profesora investigadora asociada de Johns Hopkins Natalia Drichko y el postdoctorado Atikur Rahman, ahora es profesor asistente en el Instituto Indio de Educación e Investigación Científica, Pune, también contribuyó al estudio.

La investigación comenzó mientras Mlack era un Ph.D. candidato en Johns Hopkins. Él y otros investigadores estaban trabajando en el crecimiento y la fabricación de dispositivos a partir de aislantes topológicos, un tipo de material que no conduce corriente a través de la mayor parte del material, pero que puede transportar corriente a lo largo de su superficie.

Mientras los investigadores trabajaban con estos materiales, uno de sus dispositivos explotó, similar a lo que sucedería con un cortocircuito.

"Se derritió un poco, "Mlack dijo, "y lo que encontramos es que, si medimos la resistencia de esta región derretida de uno de estos dispositivos, se volvió superconductor. Luego, cuando volvimos y miramos lo que sucedió con el material e intentamos averiguar qué elementos había allí, sólo vimos seleniuro de bismuto y paladio ".

Cuando los materiales superconductores se enfrían, pueden transportar una corriente sin resistencia eléctrica sin perder energía.

Se ha predicho que los aislantes topológicos con propiedades superconductoras tienen un gran potencial para crear una computadora cuántica tolerante a fallas. Sin embargo, Es difícil establecer un buen contacto eléctrico entre el aislante topológico y el superconductor y escalar dichos dispositivos para su fabricación. utilizando técnicas actuales. Si este nuevo material pudiera recrearse, potencialmente podría superar ambas dificultades.

En informática estándar, la unidad de datos más pequeña que compone la computadora y almacena información, el dígito binario, orbita, puede tener un valor de 0, para fuera, o 1, por el. La computación cuántica se aprovecha de un fenómeno llamado superposición, lo que significa que los bits, en este caso llamado qubits, puede ser 0 y 1 al mismo tiempo.

Una forma famosa de ilustrar este fenómeno es un experimento mental llamado el gato de Schrodinger. En este experimento mental, hay un gato en una caja, pero uno no sabe si el gato está vivo o muerto hasta que se abre la caja. Antes de que se abra la caja, el gato puede considerarse vivo y muerto, existiendo en dos estados a la vez, pero, inmediatamente después de abrir la caja, el estado del gato, o en el caso de qubits, la configuración del sistema, colapsa en uno:el gato está vivo o muerto y el qubit es 0 o 1.

"La idea es codificar información utilizando estos estados cuánticos, "Markovic dijo, "pero para usarlo debe estar codificado y existir el tiempo suficiente para que pueda leerlo".

Uno de los principales problemas en el campo de la computación cuántica es que los qubits no son muy estables y es muy fácil destruir los estados cuánticos. Estos materiales topológicos proporcionan una forma de hacer que estos estados vivan lo suficiente como para leerlos y hacer algo con ellos. Dijo Markovic.

"Es como si la caja del gato de Schrodinger estuviera en la parte superior de un asta de bandera y el más mínimo viento pudiera derribarla, "Dijo Mlack." La idea es que estos materiales topológicos al menos ensanchen el diámetro del asta de la bandera para que la caja se asiente más en una columna que en un asta de bandera. Puedes acabar con él eventualmente, pero por lo demás es muy difícil romper la caja y averiguar qué le pasó al gato ".

Aunque su descubrimiento inicial de este material fue un accidente, pudieron idear un proceso para recrearlo de forma controlada.

Markovic, quien era el asesor de Mlack en Johns Hopkins en ese momento, sugerido que, para recrearlo sin tener que hacer estallar dispositivos continuamente, podrían recocerlo térmicamente, un proceso en el que lo ponen en un horno y lo calientan a una cierta temperatura.

Usando este método, los investigadores escribieron, "el metal entra directamente en la nanoestructura, Proporciona un buen contacto eléctrico y se puede modelar fácilmente en la nanoestructura utilizando litografía estándar. permitiendo una fácil escalabilidad de circuitos superconductores personalizados en un aislante topológico ".

Aunque los investigadores ya tienen la capacidad de fabricar un material topológico superconductor, hay un gran problema en el hecho de que, cuando juntan dos materiales, hay una grieta en el medio lo que disminuye el contacto eléctrico. Esto arruina las mediciones que pueden hacer, así como los fenómenos físicos que podrían llevar a la fabricación de dispositivos que permitan la computación cuántica.

Al modelarlo directamente en el cristal, el superconductor está incrustado, y no hay ninguno de estos problemas de contacto. La resistencia es muy baja, y pueden modelar dispositivos para la computación cuántica en un solo cristal.

Para probar las propiedades superconductoras del material, lo metieron en dos neveras extremadamente frías, uno de los cuales se enfría hasta casi el cero absoluto. También barrieron un campo magnético a través de él, que mataría la superconductividad y la naturaleza topológica del material, para conocer las limitaciones del material. También hicieron mediciones eléctricas estándar, pasando una corriente y mirando el voltaje que se crea.

"Creo que lo que también es bueno en este documento es la combinación del rendimiento del transporte eléctrico y los conocimientos directos de la caracterización de los materiales del dispositivo real, ", Dijo Drndic." Tenemos buenos conocimientos sobre la composición de estos dispositivos para respaldar todas estas afirmaciones porque hicimos un análisis elemental para comprender cómo se unen estos dos materiales ".

Uno de los beneficios del dispositivo de los investigadores es que es potencialmente escalable, capaz de encajar en un chip similar a los que tenemos actualmente en nuestras computadoras.

"En este momento, los principales avances en la computación cuántica involucran métodos de litografía muy complicados, "Drndic dijo." La gente lo está haciendo con nanocables que están conectados a estos circuitos. Si tiene nanocables únicos que son muy, muy pequeños y luego tienes que ponerlos en lugares particulares, es muy difícil. La mayoría de las personas que están a la vanguardia de esta investigación tienen instalaciones multimillonarias y muchas personas las respaldan. Pero esto, en principio, podemos hacerlo en un laboratorio. Permite fabricar estos dispositivos de forma sencilla. Puedes escribir tu dispositivo de la forma que quieras ".

Según Mlack, aunque todavía hay una considerable limitación al respecto; Hay un campo completo que ha surgido dedicado a idear formas nuevas e interesantes de intentar aprovechar estos estados cuánticos y la información cuántica. Si tiene éxito, La computación cuántica permitirá una serie de cosas.

"Permitirá un descifrado y cifrado de información mucho más rápidos, " él dijo, "por eso algunos de los grandes contratistas de defensa de la NSA, así como empresas como Microsoft, están interesados ​​en él. También nos permitirá modelar sistemas cuánticos en una cantidad de tiempo razonable y es capaz de hacer ciertos cálculos y simulaciones más rápido de lo que uno normalmente sería capaz de hacer ".

Es particularmente bueno para tipos de problemas completamente diferentes, como problemas que requieren cálculos paralelos masivos, Dijo Markovic. Si necesita hacer muchas cosas a la vez, La computación cuántica acelera enormemente las cosas.

"Hay problemas en este momento que tomarían la edad del universo para calcular, " ella dijo.

"Con la computación cuántica, podría hacerlo en minutos ". Esto también podría conducir a avances en el desarrollo de fármacos y otros sistemas complejos, así como habilitar nuevas tecnologías.

Los investigadores esperan comenzar a construir algunos dispositivos más avanzados que estén orientados a construir realmente un qubit a partir de los sistemas que tienen. así como probar diferentes metales para ver si pueden cambiar las propiedades del material.

"Realmente es una nueva forma potencial de fabricar estos dispositivos que nadie ha hecho antes, "Dijo Mlack." En general, cuando la gente fabrica algunos de estos materiales combinando este material topológico y superconductividad, es un cristal a granel, por lo que realmente no controlas dónde está todo. Aquí podemos personalizar el patrón que estamos creando en el propio material. Esa es la parte más emocionante especialmente cuando empezamos a hablar de agregar diferentes tipos de metales que le dan características diferentes, ya sean materiales ferromagnéticos o elementos que puedan hacerlo más aislante. Todavía tenemos que ver si funciona pero existe la posibilidad de crear estos interesantes circuitos personalizados directamente en el material ".