Qubits, las unidades utilizadas para codificar información en computación cuántica, no todos son iguales. Algunos investigadores creen que los qubits topológicos, que son más resistentes y menos susceptibles al ruido ambiental que otros tipos, puede ser el mejor medio para impulsar la computación cuántica.

La física cuántica se ocupa de cómo interactúan las partículas fundamentales y, a veces, se unen para formar nuevas partículas llamadas cuasipartículas. Las cuasipartículas aparecen en modelos teóricos sofisticados, pero observarlos y medirlos experimentalmente ha sido un desafío. Con la creación de un nuevo dispositivo que permite a los investigadores sondear la interferencia de las cuasipartículas, puede que estemos un gran paso más cerca. Los hallazgos fueron publicados el lunes en Física de la naturaleza .

"Podemos sondear estas partículas haciéndolas interferir, "dijo Michael Manfra, la cátedra Bill y Dee O'Brian de Física y Astronomía en la Universidad de Purdue. "La gente ha intentado hacer esto durante mucho tiempo, pero ha habido importantes desafíos técnicos ".

Para estudiar partículas tan pequeñas, El grupo de Manfra construye un pequeñito, pequeños dispositivos que utilizan una técnica de crecimiento de cristales que construye capa atómica por capa atómica, llamada epitaxia de haz molecular. Los dispositivos son tan pequeños que limitan los electrones a dos dimensiones. Como una canica rodando sobre una mesa, no pueden moverse hacia arriba o hacia abajo.

Si el dispositivo, o "sobremesa, "es lo suficientemente limpio y suave, lo que domina la física del experimento no son las acciones individuales de los electrones, sino cómo interactúan entre sí. Para minimizar la energía individual de las partículas, El equipo de Manfra los enfrió a temperaturas extremadamente bajas, alrededor de -460 grados Fahrenheit. Adicionalmente, los electrones se sometieron a un gran campo magnético. En estas tres condiciones:temperaturas extremadamente frías, confinado a dos dimensiones, y expuesto a un campo magnético, comienza a suceder una física realmente extraña. Los físicos llaman a esto el régimen de sala cuántica fraccional.

"En estas condiciones exóticas, los electrones pueden organizarse a sí mismos de modo que el objeto básico parezca que lleva un tercio de la carga de un electrón, "dijo Manfra, quien también es profesor de ingeniería de materiales, e ingeniería eléctrica e informática. "Pensamos en las partículas elementales como bosones o fermiones, dependiendo del giro de la partícula, pero nuestras cuasipartículas tienen un comportamiento mucho más complejo a medida que evolucionan unas alrededor de otras. Determinar la carga y las propiedades estadísticas de estos estados es un desafío de larga data en la física cuántica ".

Para hacer que las partículas interfieran, El grupo de Manfra construyó un interferómetro:un dispositivo que fusiona dos o más fuentes de cuasipartículas para crear un patrón de interferencia. Si arrojas dos piedras a un estanque, y sus olas se cruzaron en algún punto, aquí es donde generarían interferencias y los patrones cambiarían.

Pero replicar estos efectos a una escala mucho menor es extremadamente difícil. En un espacio tan estrecho, los electrones tienden a repelerse entre sí, por lo que cuesta energía adicional colocar otro electrón en el espacio. Esto tiende a estropear los efectos de interferencia, por lo que los investigadores no pueden verlos con claridad.

El interferómetro de Purdue supera este desafío al agregar placas metálicas a solo 25 nanómetros de distancia de las cuasipartículas que interfieren. Las placas metálicas eliminan las interacciones repulsivas, reduciendo el costo de energía y permitiendo que ocurran interferencias.

El nuevo dispositivo tiene paredes idénticas en cada lado y puertas de metal, algo así como una máquina de pinball. Pero a diferencia de un pinball, que se dispersa caóticamente, los electrones de este dispositivo siguen un patrón muy estricto.

"La magia del efecto de sala cuántica es que toda la corriente viajará por el borde de la muestra, no por el medio, "dijo James Nakamura, Doctor. candidato en Purdue y autor principal del artículo. "Cuando se tunelizan cuasipartículas a través del divisor de haz, están partidos por la mitad, en un sentido mecánico cuántico. Eso pasa dos veces en dos divisores de haz, y se produce interferencia entre los dos caminos diferentes ".

En un reino tan extraño de la física, Puede ser difícil para los investigadores saber si lo que creen que están viendo es lo que realmente están viendo. Pero estos resultados muestran que, potencialmente por primera vez, Los investigadores han sido testigos de la interferencia de la mecánica cuántica de las cuasipartículas.

Este mecanismo también podría ayudar en el desarrollo de qubits topológicos en el futuro.

"Hasta donde sabemos, esta es la única plataforma viable para intentar realizar experimentos más complejos que pueden, en estados más complicados, ser la base de un qubit topológico, ", Dijo Manfra." Hemos estado tratando de construir estos por un tiempo, con el objetivo final de validar algunas de estas extrañas propiedades. Todavía no hemos llegado hasta allí pero hemos demostrado que este es el mejor camino a seguir ".