Nano-'hashtags 'podem ser a chave para gerar a altamente procurada quasiparte de Majorana

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Anonim

Os cientistas da UC Santa Barbara estão à beira de um grande avanço na computação quântica topológica.

Em um artigo publicado na revista Nature, Chris Palmstrøm, professor de engenharia elétrica e de computação da UCSB e seus colegas, descreveu um método pelo qual nanofios em forma de "hashtag" podem ser persuadidos a gerar quasipartículas de Majorana. Essas quasipartículas são estados exóticos que, se realizados, podem ser usados ​​para codificar informações com muito pouco risco de descoerência - um dos maiores desafios da computação quântica - e, portanto, pouca necessidade de correção quântica de erros.

"Este foi um passo muito bom para fazer as coisas acontecerem", disse Palmstrøm. Em 2012, os cientistas holandeses Leo Kouwenhoven e Erik Bakkers (também autores no papel) das Universidades de Tecnologia de Delft e Eindhoven, na Holanda, relataram a primeira observação de estados consistentes com essas quasipartículas. Na época, no entanto, eles pararam de provar definitivamente que eles eram de fato os Majoranas, e não outros fenômenos.

Sob a égide da Research Station Q da Microsoft Corporation, com sede no campus da UCSB, essa equipe de cientistas faz parte de um esforço internacional maior para construir o primeiro computador quântico topológico.

As quasipartículas são nomeadas para o físico italiano Ettore Majorana, que previu sua existência em 1937, em torno do nascimento da mecânica quântica. Eles têm a distinção única de serem suas próprias antipartículas - eles podem se aniquilar um ao outro. Eles também têm a qualidade de serem não-abelianos, resultando na capacidade de "lembrar" suas posições relativas ao longo do tempo - uma propriedade que os torna centrais para a computação quântica topológica.

"Se você for mover esses Majoranas fisicamente em torno um do outro, eles vão lembrar se eles foram movidos no sentido horário ou anti-horário", disse Mihir Pendharkar, um estudante de pós-graduação do Palmstrøm Group. Essa operação de mover um ao redor do outro, continuou ele, é o que é chamado de "trança". As computações poderiam, em teoria, ser realizadas trançando os Majoranas e depois fundindo-os, liberando um pote de energia - uma "alta digital" - ou uma energia absorvente - um "baixo digital". A informação é contida e processada pela troca de posições, e o resultado é dividido entre as duas ou mais Majoranas (não as próprias quasipartículas), uma propriedade topológica que protege as informações das perturbações ambientais (ruído) que poderiam afetar as Majoranas individuais..

No entanto, antes que qualquer trança possa ser executada, essas quasipartículas frágeis e fugazes devem ser geradas primeiro. Nesta colaboração internacional, as bolachas de semicondutores começaram sua jornada com o padrão de gotas de ouro na Universidade de Tecnologia de Delft. Com as gotas de ouro atuando como sementes, os nanofios semicondutores de índio antimonídeo (InSb) foram então cultivados na Universidade de Tecnologia de Eindhoven. Em seguida, os nanofios viajaram pelo mundo até Santa Bárbara, onde os pesquisadores do Palmstrøm Group cuidadosamente limparam e parcialmente os cobriram com uma fina camada de alumínio supercondutor. Os nanofios foram devolvidos à Holanda para medições elétricas de baixa temperatura.

"O Majorana foi previsto para ocorrer entre um supercondutor e um fio de semicondutor", explicou Palmstrøm. Alguns dos fios que se cruzam no dispositivo infinitesimal em forma de hashtag são fundidos, enquanto outros quase não se perdem, deixando uma lacuna muito precisa. Este desenho inteligente, de acordo com os pesquisadores, permite que algumas regiões de um nanofio passem sem revestimento de revestimento de alumínio, estabelecendo condições ideais para a medição de Majoranas.

"O que você deveria estar vendo é um estado com energia zero", disse Pendharkar. Este "pico de polarização zero" é consistente com a matemática que resulta em uma partícula sendo sua própria antipartícula e foi observada pela primeira vez em 2012. "Em 2012, eles mostraram um pequeno desvio zero em um mar de fundo", disse Pendharkar. Com a nova abordagem, ele continuou, "agora o mar desapareceu", o que não só esclarece o resultado de 2012 e leva os pesquisadores um passo mais perto da prova definitiva dos estados de Majorana, mas também estabelece uma base mais robusta para a produção destes quasipartículas.

Majoranas, por causa de sua particular imunidade ao erro, podem ser usadas para construir um qubit ideal (unidade de informação quântica) para computadores quânticos topológicos, e, de acordo com os pesquisadores, pode resultar em um computador quântico mais prático porque sua tolerância a falhas requer menos qubits para correção de erros.

"Todos os computadores quânticos vão trabalhar a temperaturas muito baixas", disse Palmstrøm, "porque 'quantum' é uma diferença de energia muito baixa". Assim, disseram os pesquisadores, resfriar qubits menos tolerantes a falhas em um circuito quântico seria mais fácil, e feito em um espaço menor, do que resfriar qubits mais propensos a erros, além daqueles necessários para proteger de erros.

O passo final em direção à prova conclusiva de Majoranas estará na trança, uma experiência que os pesquisadores esperam realizar em um futuro próximo. Para esse fim, os cientistas continuam a construir sobre esta base com projetos que podem permitir e medir o resultado da trança.

"Tivemos o financiamento e a perícia de pessoas que são especialistas no lado das medições, e especialistas no lado teórico das coisas", disse Pendharkar, "e tem sido uma grande colaboração que nos levou a isso. nível."

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