Los físicos que estudian el extraño comportamiento de las aleaciones metálicas llamadas fermiones pesados ​​han hecho un descubrimiento sorprendente que podría ser útil para salvaguardar la información almacenada en bits cuánticos. o qubits, las unidades básicas de información codificada en las computadoras cuánticas.

En un estudio en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , Investigadores de la Universidad Rice y la Universidad Tecnológica de Viena (TU Wien) en Austria examinaron el comportamiento de un cristal intermetálico de cerio, paladio y silicio, ya que fue sometido a un frío extremo y un fuerte campo magnético. Para su sorpresa, descubrieron que podían transformar el comportamiento cuántico del material de dos formas únicas, uno en el que los electrones compiten por ocupar orbitales y otro en el que compiten por ocupar estados de espín.

"El efecto es tan pronunciado con un grado de libertad que acaba liberando el otro, "dijo Qimiao Si de Rice, coautor correspondiente del estudio y director del Rice Center for Quantum Materials (RCQM). "Básicamente, puedes ajustar el sistema para maximizar el daño a uno de estos, dejando el otro bien definido ".

Si dijo que el resultado podría ser importante para empresas como Google, IBM, Intel y otros que compiten por desarrollar computadoras cuánticas. A diferencia de las computadoras digitales de hoy, que utilizan electricidad o luz para codificar bits de información, Las computadoras cuánticas utilizan los estados cuánticos de partículas subatómicas como los electrones para almacenar información en qubits. Una computadora cuántica práctica podría superar a su contraparte digital de muchas maneras, pero la tecnología aún está en pañales, y uno de los principales obstáculos es la fragilidad de los estados cuánticos dentro de los qubits.

"Necesita un estado cuántico bien definido si desea tener la seguridad de que la información almacenada en un qubit no cambiará debido a la interferencia de fondo, "Si dijo.

Cada electrón actúa como un imán giratorio, y su giro se describe en uno de dos valores, arriba o abajo. En muchos diseños de qubit, la información está codificada en estos giros, pero estos estados pueden ser tan frágiles que incluso pequeñas cantidades de luz, calor, la vibración o el sonido pueden hacer que cambien de un estado a otro. Minimizar la información que se pierde por tal "decoherencia" es una preocupación importante en el diseño de qubit, Si dijo.

En el nuevo estudio, Si trabajó con su colaboradora Silke Paschen de TU Wien desde hace mucho tiempo para estudiar un material en el que los estados cuánticos de los electrones estaban mezclados no solo en términos de sus espines sino también en términos de sus orbitales.

"Diseñamos un sistema, realizado en algunos modelos teóricos y al mismo tiempo realizado en un material, donde los espines y los orbitales están casi en pie de igualdad y están fuertemente acoplados, " él dijo.

De investigaciones anteriores en 2012, Si, Paschen y sus colegas sabían que se podía hacer que los electrones en el compuesto interactuaran tan fuertemente que el material sufriría un cambio dramático a una temperatura críticamente fría. A ambos lados de este "punto crítico cuántico, "los electrones en orbitales clave se organizarían de una manera completamente diferente, con el cambio que se produce únicamente debido a las interacciones cuánticas entre ellos.

El estudio anterior invocó una teoría bien conocida Si y colaboradores desarrollaron en 2001 que prescribe cómo los espines de estos electrones localizados, que forman parte de los átomos dentro de la aleación, se acoplan fuertemente con electrones de conducción de flujo libre en el punto crítico cuántico. Según esta teoría "crítica cuántica local", a medida que el material se enfría y se acerca al punto crítico, los espines de los electrones localizados y los electrones de conducción comienzan a competir para ocupar estados de espín particulares. El punto crítico cuántico es el punto de inflexión donde esta competencia destruye la disposición ordenada de los electrones localizados y, en cambio, se entrelazan completamente con los electrones de conducción.

Aunque Si ha estudiado la criticidad cuántica durante casi 20 años, estaba sorprendido por los resultados de los últimos experimentos de Paschen.

"Los nuevos datos fueron completamente desconcertantes para todos nosotros, ", dijo." Es decir, hasta que nos dimos cuenta de que el sistema contenía no sólo espines sino también orbitales como grados activos de libertad ".

Con esa comprensión, El equipo de Si, incluido el estudiante graduado de Rice, Ang Cai, construyó un modelo teórico que contiene tanto los espines como los orbitales. Su análisis detallado del modelo reveló una forma sorprendente de criticidad cuántica que proporcionó una comprensión clara de los experimentos.

"Fue un shock para mí, tanto desde la perspectiva del modelo teórico como de los experimentos, ", dijo." Aunque esto es una sopa de cosas, giros, orbitales que están fuertemente acoplados entre sí y con electrones de conducción de fondo; podríamos resolver dos puntos críticos cuánticos en este sistema con la sintonización de un parámetro, que es el campo magnético. Y en cada uno de los puntos críticos cuánticos, sólo el giro o el orbital está impulsando la criticidad cuántica. El otro es más o menos un espectador ".