Los científicos de UC Santa Bárbara se encuentran en la cúspide de un gran avance en la computación cuántica topológica.

En un artículo que aparece en la revista Naturaleza , Chris Palmstrøm, un profesor de UCSB de ingeniería eléctrica e informática y de materiales, y sus colegas describen un método mediante el cual los nanocables en forma de "hashtag" pueden ser inducidos a generar cuasipartículas de Majorana. Estas cuasipartículas son estados exóticos que, si se realizan, se puede utilizar para codificar información con muy poco riesgo de decoherencia, uno de los mayores desafíos de la computación cuántica, y por lo tanto, poca necesidad de corrección de errores cuánticos.

"Este fue un paso realmente bueno para hacer que las cosas sucedan, ", dijo Palmstrøm. En 2012, Los científicos holandeses Leo Kouwenhoven y Erik Bakkers (también autores del artículo) de las Universidades de Tecnología de Delft y Eindhoven en los Países Bajos, informó la primera observación de estados compatibles con estas cuasipartículas. En el momento, sin embargo, se quedaron cortos de la prueba definitiva de que eran de hecho los Majoranas, y no otros fenómenos.

Bajo los auspicios de la Research Station Q de Microsoft Corporation con sede en el campus de UCSB, este equipo de científicos es parte de un mayor esfuerzo internacional para construir la primera computadora cuántica topológica.

Las cuasipartículas llevan el nombre del físico italiano Ettore Majorana, que predijo su existencia en 1937, en torno al nacimiento de la mecánica cuántica. Tienen la distinción única de ser sus propias antipartículas:pueden aniquilarse entre sí. También tienen la cualidad de no ser abelianos, lo que da como resultado la capacidad de "recordar" sus posiciones relativas a lo largo del tiempo, una propiedad que las hace fundamentales para la computación cuántica topológica.

"Si vas a mover a estos Majoranas físicamente entre sí, recordarán si se movieron en sentido horario o antihorario, "dijo Mihir Pendharkar, investigador estudiante de posgrado en el Grupo Palmstrøm. Esta operación de mover uno alrededor del otro, él continuó, es lo que se conoce como "trenzado". En teoría, los cálculos podrían realizarse trenzando las Majoranas y luego fusionándolas, liberando un poof de energía, un "subidón digital", o absorbiendo energía, un "subidón digital". La información está contenida y procesada por el intercambio de posiciones, y el resultado se divide entre las dos o más Majoranas (no las cuasipartículas en sí mismas), una propiedad topológica que protege la información de las perturbaciones ambientales (ruido) que pudieran afectar al individuo Majoranas.

Sin embargo, antes de que se pueda realizar cualquier trenzado, estas cuasipartículas frágiles y fugaces primero deben generarse. En esta colaboración internacional, Las obleas semiconductoras comenzaron su viaje con patrones de gotas de oro en la Universidad Tecnológica de Delft. Con las gotitas de oro actuando como semillas, A continuación, se cultivaron nanocables semiconductores de antimonuro de indio (InSb) en la Universidad Tecnológica de Eindhoven. Próximo, los nanocables viajaron por todo el mundo hasta Santa Bárbara, donde los investigadores del Palmstrøm Group los limpiaron cuidadosamente y los cubrieron parcialmente con una fina capa de aluminio superconductor. Los nanocables se devolvieron a los Países Bajos para realizar mediciones eléctricas de baja temperatura.

"Se ha predicho que la Majorana ocurre entre un superconductor y un cable semiconductor, "Explicó Palmstrøm. Algunos de los cables que se cruzan en el dispositivo infinitesimal en forma de hashtag están fusionados, mientras que otros apenas se extrañan, dejando un hueco muy preciso. Este ingenioso diseño, según los investigadores, permite que algunas regiones de un nanocable no tengan un revestimiento de carcasa de aluminio, estableciendo condiciones ideales para la medición de Majoranas.

"Lo que debería ver es un estado de energía cero, ", Dijo Pendharkar. Este" pico de sesgo cero "es consistente con las matemáticas que dan como resultado que una partícula sea su propia antipartícula y se observó por primera vez en 2012." En 2012, mostraban un pequeño destello de sesgo cero en un mar de fondo, "Dijo Pendharkar. Con el nuevo enfoque, él continuó, "ahora el mar se ha perdido, "que no solo aclara el resultado de 2012 y lleva a los investigadores un paso más hacia la prueba definitiva de los estados de Majorana, pero también sienta una base más sólida para la producción de estas cuasipartículas.

Majoranas, debido a su especial inmunidad al error, se puede utilizar para construir un qubit ideal (unidad de información cuántica) para computadoras cuánticas topológicas, y, según los investigadores, puede resultar en una computadora cuántica más practicable porque su tolerancia a fallas requerirá menos qubits para la corrección de errores.

"Todas las computadoras cuánticas van a funcionar a temperaturas muy bajas, "Palmstrøm dijo, "porque 'cuántica' es una diferencia de energía muy baja". Por lo tanto, dijeron los investigadores, enfriar menos qubits tolerantes a fallas en un circuito cuántico sería más fácil, y hecho en un espacio más pequeño, que enfriar más qubits propensos a errores más los necesarios para proteger contra errores.

El paso final hacia la prueba concluyente de Majoranas estará en el trenzado, un experimento que los investigadores esperan realizar en un futuro próximo. Con ese fin, los científicos continúan construyendo sobre esta base con diseños que pueden permitir y medir el resultado del trenzado.

"Contamos con la financiación y la experiencia de personas que son expertas en el lado de las mediciones, y expertos en el lado teórico de las cosas, Pendharkar dijo:"y ha sido una gran colaboración la que nos ha llevado a este nivel".