Investigadores de la Universidad de Copenhague y Microsoft Quantum Lab Copenhagen han llevado a cabo recientemente un estudio que investiga el potencial de los modos cero de Majorana, Estados de cuasipartículas de energía cero que se pueden encontrar en nanocables híbridos superconductores, como medio de proteger los datos cuánticos. Su papel publicado en Física de la naturaleza , describe la observación de firmas de tunelización asistidas por fotones en un nanocable Majorana, ofreciendo una nueva visión interesante que podría allanar el camino hacia una mejor comprensión de estos estados de cuasipartículas.

"Nuestro objetivo a largo plazo es desarrollar un medio para proteger y controlar la información cuántica para aplicaciones de computación cuántica, "El coautor del artículo, el profesor Charles Marcus, dijo a Phys.org por correo electrónico." Una propuesta intrigante es utilizar los modos cero de Majorana para ofrecer protección a nivel de la física, en lugar de a nivel de circuito utilizando redundancia y corrección de errores ".

A nivel físico, Los modos cero de Majorana ocultan información específica, más precisamente, si un electrón en exceso está presente o ausente de manera no local dentro de un superconductor topológico dado. Esta información no se puede revelar utilizando herramientas para la recopilación de medidas locales.

Teóricamente El uso de modos cero de Majorana para proteger los datos cuánticos debería ser bastante simple y directo. Sin embargo, esto hasta ahora ha resultado muy difícil de realizar, ya que requiere esfuerzos sustanciales, incluido el desarrollo de métodos para leer estados de energía cero y el diseño de materiales híbridos que puedan alcanzar estos estados en primer lugar.

"En un artículo teórico que escribimos en 2016, se establecieron una serie de primeros pasos concretos para hacer realidad este concepto, pero lograr que incluso los subcomponentes de nuestro sistema propuesto funcionen es un desafío, "Dijo Marcus." Un componente crítico es una unión superconductora topológica donde los modos de Majorana se pueden acoplar y desacoplar usando pulsos eléctricos. Nuestro experimento reciente fue diseñado para probar ese componente en particular:el sitio donde se podría controlar el acoplamiento de los modos de Majorana a través de una unión ".

El túnel asistido por fotones es una técnica que se puede utilizar para 'conectar' estados cuánticos de energía total desigual, utilizando un fotón con una energía que coincide con la diferencia. La energía total de los estados cuánticos en este experimento depende de la presencia de un exceso de electrones en estados discretos de energía cero.

Este efecto finalmente permitió a los investigadores detectar una diferencia en la ocupación de carga promedio. Como la frecuencia del fotón es energía que se puede controlar, podrían inferir la diferencia de energía entre los estados cuánticos y finalmente convertir esto en una fuerza de acoplamiento.

"En los primeros días de los dispositivos superconductores y spin qubit, El túnel asistido por fotones se usaba a menudo como una técnica para mapear la diferencia de energía entre estados de qubits, "David van Zanten, otro investigador involucrado en el estudio, dijo Phys.org. "La diferencia de energía mínima se define por la energía del acoplamiento de intercambio coherente. Con base en este trabajo anterior, Nos propusimos utilizar el túnel asistido por fotones como herramienta para identificar y caracterizar el acoplamiento coherente entre fermiones de Majorana de diferentes pares ".

El método utilizado por los investigadores es bastante sencillo. Implica medir la ocupación de carga promedio de una estructura de doble isla que alberga modos cero de Majorana, mientras se aplica simultáneamente un tono de microondas a una estructura casi metálica acoplada predominantemente a una de las islas de la estructura.

Para que su técnica funcione, los investigadores tuvieron que desarrollar estructuras topológicas superconductoras de doble isla adecuadas y sensores de carga RF SET que pudieran introducirse dentro de un nanocable InAs / AI, que a su vez se colocaba sobre un sustrato sobre el que se podían aplicar microondas. Además, tuvieron que ajustar cuidadosamente todas las perillas del dispositivo e identificar un rango extendido en el que se cumplieran todas las condiciones necesarias para la tunelización asistida por fotones de los modos cero de Majorana.

Los autores trabajaron en estrecha colaboración con un equipo de investigadores especializados en materiales cuánticos, dirigido por Peter Krogstrup. Este grupo de científicos fue responsable de hacer crecer los cables utilizados en el experimento.

Por último, Los materiales y métodos utilizados en su experimento permitieron a los investigadores observar firmas de tunelización asistidas por fotones en un campo magnético finito. induciendo una periodicidad de puerta 1e en ambas islas. Sin embargo, uno debe tener cuidado al interpretar sus hallazgos, ya que el suyo es meramente un resultado preliminar.

"El aspecto más destacable de nuestro estudio radica en la consistencia interna entre las diferentes mediciones y observaciones presentadas en el documento, junto con otros trabajos de otros miembros de nuestra misma comunidad de investigación, ", dijo van Zanten." Cada una de nuestras mediciones indica independientemente la presencia de estados discretos a energía cero en ambas islas, una imagen consistente con los modos cero de Majorana. La consistencia interna insinúa que nuestra interpretación es válida, pero, ¿prueba el acoplamiento de Majorana? No."

Según los investigadores, otros estados fermiónicos que ocurren a energía cero también podrían construirse de una manera que se asemeje a los modos cero de Majorana. Por esta razón, sus resultados, junto con otros similares recopilados por otros equipos en el pasado, deben considerarse como interpretaciones más que como hechos.

"Qué interpretación existente es más razonable está sujeta a debate, que se ve impulsado por la variedad de resultados recopilados por diferentes grupos, "Dijo Marcus." Lo que hemos demostrado es que en campo alto, hay un estado discreto en los cables a energía cero (precisamente donde residiría un Majorana) y que al sintonizar una unión podemos acoplar y desacoplar estos modos de energía cero, midiendo su fuerza de acoplamiento ".

El estudio reciente llevado a cabo por el equipo con sede en Copenhague proporciona nuevas observaciones que se pueden agregar al conjunto de hallazgos relacionados con los modos cero en los cables de Majorana recopilados por diferentes equipos de investigación durante la última década más o menos. En el futuro, su trabajo podría servir como base para nuevos estudios que investiguen el potencial de estos estados para mejorar la seguridad de la tecnología cuántica.

"En nuestros próximos estudios, nos gustaría utilizar sistemas de materiales con los que sea más fácil trabajar, "Dijo Marcus." Los nanocables que usamos fueron un gran comienzo, pero colocar cables individuales a mano no es una forma de construir una red de Majoranas. Los materiales son la clave del progreso en este campo:nuevos materiales, materiales más limpios, materiales más fáciles de trabajar ".

Además de repetir su experimento con diferentes materiales, los investigadores planean realizar estudios que incorporen sistemas de conexiones múltiples. De hecho, La evidencia de investigaciones anteriores sugiere que los sistemas con múltiples uniones permiten la creación de dispositivos que son más sofisticados e interesantes.

"Ahora también nos gustaría introducir otros ojos en el desarrollo de nuestro sistema, lo que nos permitiría distinguir de forma rápida y segura entre modos cero que pueden ocultar información cuántica y aquellos que no pueden, "Marcus y van Zanten dijeron." El trenzado de los modos cero de Majorana es una demostración clave de que nuestros estados de energía cero poseen la propiedad clave que se necesita para la protección de la información, pero esa medida no se ha realizado. Nuestro presente experimento presenta la teoría básica, pero ahora los científicos de materiales y los experimentadores tendrán que probarlo ".

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