Los físicos de la Universidad de Rice dedicados a crear los componentes funcionales de una computadora cuántica tolerante a fallas han logrado crear un estado de la materia nunca antes visto.

El "aislante excitónico topológico" fue observado en pruebas en Rice por un equipo internacional de Estados Unidos y China. Los investigadores informan sus hallazgos esta semana en la revista. Comunicaciones de la naturaleza . Su dispositivo podría potencialmente usarse en una computadora cuántica topológica, un tipo de computadora cuántica que almacena información en partículas cuánticas que están "trenzadas" como nudos que no se rompen fácilmente. Estos estables, bits cuánticos "topológicos" trenzados, o qubits topológicos, podría superar una de las principales limitaciones de la computación cuántica en la actualidad:los qubits que no son topológicos se "descodifican" fácilmente y pierden la información que están almacenando.

Las computadoras convencionales usan datos binarios, información que se almacena como unos o ceros. Gracias a las peculiaridades de la mecánica cuántica, los qubits pueden representar a ambos, ceros y un tercer estado que es tanto uno como cero al mismo tiempo.

Este tercer estado se puede utilizar para acelerar el cálculo, Tanto es así que una computadora cuántica con solo unas pocas docenas de qubits podría terminar algunos cálculos tan rápido como un microchip con mil millones de transistores binarios.

En el nuevo estudio, El físico de Rice Rui-Rui Du y el ex estudiante graduado de Rice Lingjie Du (sin relación) colaboraron con investigadores de Rice, Universidad de Pekín y la Academia de Ciencias de China para crear aislantes excitónicos hechos de pequeñas astillas de ultrapura, semiconductores apilados. Los dispositivos, que no tengan más de 100 micrones de ancho, contienen una hoja de arseniuro de indio encima de una hoja de antimonio galio. Cuando se enfría en un baño de helio líquido a una temperatura críticamente baja de alrededor de 10 kelvin, Se forma un líquido cuántico superfluido dentro de los dispositivos y la electricidad deja de pasar a través de ellos.

"Esto es muy parecido al proceso en un superconductor, donde tienes electrones que se atraen entre sí para formar pares que fluyen sin resistencia, "dijo Rui-Rui Du, profesor de física y astronomía en Rice e investigador del Centro Rice de Materiales Cuánticos (RCQM). "En nuestro caso, los electrones se emparejan con 'huecos de electrones' cargados positivamente para crear un superfluido con una carga neta de cero ".

Lingjie Du, ahora investigador postdoctoral en la Universidad de Columbia, dijo, "Es un efecto colectivo, para un observador externo, el sistema conduce la electricidad normalmente hasta que se enfría a la temperatura crítica, donde de repente cambia de fase para convertirse en un perfecto aislante ".

Para demostrar que el dispositivo era el aislante excitónico tan buscado, el equipo primero tuvo que demostrar que el fluido era un condensado cuántico. Esa tarea recayó en Xinwei Li, estudiante de posgrado en el laboratorio del investigador de RCQM Junichiro Kono. Li y Kono, profesor de ingeniería eléctrica e informática en Rice, Hizo brillar ondas de terahercios a través de los dispositivos a medida que se enfriaban a la temperatura crítica y descubrió que las muestras absorbían energía de terahercios en dos bandas distintas, una firma de condensación cuántica.

Mostrar el dispositivo fue una prueba topológica que involucró la conducción eléctrica en una banda unidimensional alrededor de su perímetro.

"Esta nueva propiedad del estado periférico es lo que más interesa a la gente, "Rui-Rui Du dijo." Este estado de borde no tiene resistencia eléctrica, y se obtiene una conducción en la que los electrones están ligados a su momento de giro. Si tienen un tipo de giro, van en sentido horario y si tienen el otro van en sentido antihorario ".

Los circuitos de trenzado construidos sobre estos flujos de electrones opuestos tendrían firmas topológicas inherentes que podrían usarse para formar qubits tolerantes a fallas.

"La otra belleza de esto es que los mismos principios todavía se aplican a temperatura ambiente, ", Dijo Rui-Rui Du." Hay materiales en capas atómicas, como el disulfuro de tungsteno, que podrían usarse para crear este mismo efecto a temperatura ambiente, siempre que pudieran hacerse en forma lo suficientemente pura ".