Investigadores de la Universidad de Illinois en Chicago, en colaboración con sus colegas de la Universidad de Hamburgo en Alemania, han obtenido imágenes de una partícula cuántica exótica, llamada fermión de Majorana, que puede usarse como un bloque de construcción para futuros qubits y, finalmente, la realización de computadoras cuánticas. Sus hallazgos se publican en la revista. Avances de la ciencia .

Hace más de 50 años, Gordon Moore, el ex director ejecutivo de Intel, observó que el número de transistores en un chip de computadora se duplica cada 18 a 24 meses. Esta tendencia, ahora conocida como Ley de Moore, ha continuado hasta el día de hoy, lo que lleva a transistores que tienen sólo unos pocos nanómetros (una mil millonésima parte de un metro) de tamaño. A esta escala, las leyes clásicas de la física, que forman la base sobre la que funcionan nuestras computadoras actuales, dejar de funcionar, y son reemplazados por las leyes de la mecánica cuántica. Haciendo transistores aún más pequeños, que se ha utilizado en el pasado para aumentar la velocidad de cálculo y el almacenamiento de datos, es, por lo tanto, ya no es posible.

A menos que los investigadores puedan descubrir cómo utilizar la mecánica cuántica como la nueva base para la próxima generación de computadoras.

Esta fue la idea básica formulada en 1982 por Richard Feynman, uno de los físicos teóricos más influyentes del siglo XX. En lugar de utilizar bits de computadora clásicos que almacenan información codificada en ceros y unos, uno podría idear "bits cuánticos", o qubits para abreviar, que utilizarían las leyes de la mecánica cuántica para almacenar cualquier número entre 0 y 1, aumentando así exponencialmente la velocidad de la computación y dando lugar al nacimiento de las computadoras cuánticas.

"Generalmente, cuando dejas caer tu celular, no borra la información de su teléfono, "dijo Dirk Morr, profesor de física de la UIC y autor correspondiente del artículo. "Eso se debe a que los chips en los que se almacena la información en bits de unos y ceros son bastante estables. Se necesita mucho tiempo para convertir un uno en cero y viceversa. En las computadoras cuánticas, sin embargo, porque hay un número infinito de estados posibles en los que puede estar el qubit, la información se puede perder mucho más fácilmente ".

Para formar qubits más robustos y fiables, los investigadores han recurrido a los fermiones de Majorana, partículas cuánticas que se producen sólo en pares.

"Solo necesitamos un fermión de Majorana por qubit, y entonces tenemos que separarlos unos de otros, ", Dijo Morr.

Al construir qubits a partir de un par de fermiones de Majorana, la información se puede codificar de forma fiable, siempre y cuando las Majoranas permanezcan lo suficientemente separadas.

Para lograr esta separación, y para "imaginar" un solo fermión de Majorana, es necesario crear un "superconductor topológico", un sistema que pueda conducir corrientes sin pérdidas de energía, y al mismo tiempo, está atado en un "nudo topológico".

"Este nudo topológico es similar al agujero de una rosquilla:puedes deformar la rosquilla en una taza de café sin perder el agujero, pero si quieres destrozar el agujero, tienes que hacer algo bastante dramático, como comerse la rosquilla, ", Dijo Morr.

Para construir superconductores topológicos, Los colegas de Morr en la Universidad de Hamburgo colocaron una isla de átomos de hierro magnéticos, solo decenas de nanómetros de diámetro, en la superficie del renio, un superconductor. El grupo de Morr había predicho que al usar un microscopio de efecto túnel, uno debería poder imaginarse un fermión de Majorana como una línea brillante a lo largo del borde de la isla de átomos de hierro. Y esto es exactamente lo que observó el grupo experimental.

"Ser capaces de visualizar realmente estas exóticas partículas cuánticas nos acerca un paso más a la construcción de qubits robustos, y finalmente computadoras cuánticas, ", Dijo Morr." El siguiente paso será averiguar cómo podemos diseñar cuánticamente estos qubits de Majorana en chips cuánticos y manipularlos para obtener un aumento exponencial en nuestra potencia de cálculo. Esto nos permitirá abordar muchos problemas que enfrentamos hoy, desde combatir el calentamiento global y pronosticar terremotos hasta aliviar la congestión del tráfico a través de automóviles sin conductor y crear una red de energía más confiable ".