Pesquisadores da Universidade da Pensilvânia, em colaboração com a Johns Hopkins University e Goucher College, descobriram um novo material topológico que pode permitir a computação quântica tolerante a falhas. É uma forma de computação que explora o poder dos átomos e fenômenos subatômicos para realizar cálculos significativamente mais rápidos do que os computadores atuais e pode levar a avanços no desenvolvimento de medicamentos e outros sistemas complexos.

A pesquisa, publicado em ACS Nano , foi liderado por Jerome Mlack, um pesquisador de pós-doutorado no Departamento de Física e Astronomia da Penn's School of Arts &Sciences, e seus mentores Nina Markovic, agora um professor associado da Goucher, e Marija Drndic, Fay R. e Eugene L. Langberg Professor de Física na Penn. Os alunos de pós-graduação da Penn Gopinath Danda e Sarah Friedensen, que recebeu uma bolsa da NSF para este trabalho, e a professora de pesquisa associada da Johns Hopkins Natalia Drichko e o pós-doutorado Atikur Rahman, agora professor assistente no Instituto Indiano de Educação e Pesquisa em Ciências, Pune, também contribuíram para o estudo.

A pesquisa começou enquanto Mlack era Ph.D. candidato na Johns Hopkins. Ele e outros pesquisadores estavam trabalhando no crescimento e na fabricação de dispositivos de isoladores topológicos, um tipo de material que não conduz corrente através da maior parte do material, mas pode transportar corrente ao longo de sua superfície.

Enquanto os pesquisadores trabalhavam com esses materiais, um de seus dispositivos explodiu, semelhante ao que aconteceria com um curto-circuito.

"É meio que derreteu um pouco, "Mlack disse, "e o que descobrimos é que, se medíssemos a resistência desta região derretida de um desses dispositivos, tornou-se supercondutor. Então, quando voltamos e olhamos o que aconteceu com o material e tentamos descobrir quais elementos estavam lá, vimos apenas seleneto de bismuto e paládio. "

Quando os materiais supercondutores são resfriados, eles podem transportar uma corrente com resistência elétrica zero sem perder energia.

Foi previsto que isoladores topológicos com propriedades supercondutoras têm grande potencial para a criação de um computador quântico tolerante a falhas. Contudo, é difícil fazer um bom contato elétrico entre o isolador topológico e o supercondutor e escalonar tais dispositivos para fabricação, usando as técnicas atuais. Se este novo material pudesse ser recriado, ele poderia superar essas duas dificuldades.

Na computação padrão, a menor unidade de dados que compõe o computador e armazena informações, o dígito binário, ou pouco, pode ter um valor de 0, para fora, ou 1, para adiante. A computação quântica tira proveito de um fenômeno chamado superposição, o que significa que os bits, neste caso, chamado qubits, pode ser 0 e 1 ao mesmo tempo.

Uma forma famosa de ilustrar esse fenômeno é um experimento mental chamado gato de Schrõdinger. Neste experimento mental, há um gato em uma caixa, mas não se sabe se o gato está vivo ou morto até que a caixa seja aberta. Antes que a caixa seja aberta, o gato pode ser considerado vivo e morto, existindo em dois estados ao mesmo tempo, mas, imediatamente após abrir a caixa, o estado do gato, ou no caso de qubits, a configuração do sistema, desmorona em um:o gato está vivo ou morto e o qubit é 0 ou 1.

"A ideia é codificar informações usando esses estados quânticos, "Markovic disse, "mas para usá-lo precisa ser codificado e existir o tempo suficiente para você ler."

Um dos maiores problemas no campo da computação quântica é que os qubits não são muito estáveis ​​e é muito fácil destruir os estados quânticos. Esses materiais topológicos fornecem uma maneira de fazer esses estados viverem tempo suficiente para lê-los e fazer algo com eles, Disse Markovic.

"É como se a caixa do gato de Schrõdinger estivesse no topo de um mastro de bandeira e o menor vento pudesse derrubá-la, "Mlack disse." A ideia é que esses materiais topológicos pelo menos alarguem o diâmetro do mastro da bandeira para que a caixa fique mais em uma coluna do que em um mastro. Você pode acabar com isso eventualmente, mas por outro lado é muito difícil quebrar a caixa e descobrir o que aconteceu com o gato. "

Embora a descoberta inicial deste material tenha sido um acidente, eles foram capazes de criar um processo para recriá-lo de forma controlada.

Markovic, que era o conselheiro de Mlack na Johns Hopkins na época, sugeriu que, para recriá-lo sem ter que explodir dispositivos continuamente, eles poderiam recozê-lo termicamente, um processo em que o colocam em uma fornalha e o aquecem até uma determinada temperatura.

Usando este método, os pesquisadores escreveram, "o metal entra diretamente na nanoestrutura, fornecendo bom contato elétrico e pode ser facilmente padronizado na nanoestrutura usando litografia padrão, permitindo fácil escalabilidade de circuitos supercondutores personalizados em um isolador topológico. "

Embora os pesquisadores já tenham a capacidade de fazer um material topológico supercondutor, há um grande problema no fato de que, quando eles colocam dois materiais juntos, há uma rachadura no meio, o que diminui o contato elétrico. Isso arruína as medições que eles podem fazer, bem como os fenômenos físicos que podem levar à fabricação de dispositivos que permitirão a computação quântica.

Padronizando-o diretamente no cristal, o supercondutor está embutido, e não há nenhum desses problemas de contato. A resistência é muito baixa, e podem padronizar dispositivos para computação quântica em um único cristal.

Para testar as propriedades supercondutoras do material, eles colocaram em duas geladeiras extremamente frias, um dos quais esfria até quase zero absoluto. Eles também varreram um campo magnético através dele, que mataria a supercondutividade e a natureza topológica do material, para descobrir as limitações do material. Eles também fizeram medições elétricas padrão, passando uma corrente e olhando para a voltagem que é criada.

"Acho que o que também é bom neste artigo é a combinação do desempenho do transporte elétrico e os insights diretos da caracterização real dos materiais do dispositivo, "Drndic disse." Temos bons insights sobre a composição desses dispositivos para apoiar todas essas afirmações porque fizemos uma análise elementar para entender como esses dois materiais se unem. "

Um dos benefícios do dispositivo dos pesquisadores é que ele é potencialmente escalonável, capaz de se encaixar em um chip semelhante aos atuais em nossos computadores.

"No momento, os principais avanços na computação quântica envolvem métodos litográficos muito complicados, "Drndic disse." As pessoas estão fazendo isso com nanofios conectados a esses circuitos. Se você tem nanofios simples que são muito, muito pequenos e, em seguida, você deve colocá-los em lugares específicos, é muito difícil. A maioria das pessoas que estão na vanguarda dessa pesquisa tem instalações multimilionárias e muitas pessoas por trás delas. Mas isso, em princípio, podemos fazer em um laboratório. Ele permite fazer esses dispositivos de forma simples. Você pode simplesmente escrever no seu dispositivo da maneira que quiser. "

De acordo com Mlack, embora ainda haja uma quantidade razoável de limitação sobre ele; há um campo inteiro que surgiu dedicado a descobrir maneiras novas e interessantes de tentar alavancar esses estados quânticos e informações quânticas. Se for bem sucedido, a computação quântica permitirá uma série de coisas.

"Isso permitirá uma descriptografia e criptografia de informações muito mais rápidas, " ele disse, "é por isso que alguns dos grandes empreiteiros de defesa da NSA, bem como empresas como a Microsoft, estão interessados ​​nisso. Também nos permitirá modelar sistemas quânticos em um período de tempo razoável e é capaz de fazer certos cálculos e simulações mais rápido do que normalmente seria possível. "

É particularmente bom para tipos de problemas completamente diferentes, como problemas que exigem cálculos paralelos massivos, Disse Markovic. Se você precisa fazer muitas coisas ao mesmo tempo, a computação quântica acelera as coisas tremendamente.

"Existem problemas agora que levariam a idade do universo para serem computados, " ela disse.

"Com a computação quântica, você conseguiria fazer isso em minutos. "Isso também pode levar a avanços no desenvolvimento de medicamentos e outros sistemas complexos, bem como possibilitar novas tecnologias.

Os pesquisadores esperam começar a construir alguns dispositivos mais avançados voltados para realmente construir um qubit a partir dos sistemas que eles possuem, bem como experimentar diferentes metais para ver se eles podem alterar as propriedades do material.

"É realmente uma nova maneira potencial de fabricar esses dispositivos que ninguém fez antes, "Mlack disse." Em geral, quando as pessoas fazem alguns desses materiais combinando este material topológico e supercondutividade, é um cristal em massa, então você realmente não controla onde tudo está. Aqui, podemos personalizar o padrão que estamos criando no próprio material. Essa é a parte mais emocionante, especialmente quando começamos a falar sobre a adição de diferentes tipos de metais que conferem características diferentes, sejam eles materiais ferromagnéticos ou elementos que possam torná-los mais isolantes. Ainda temos que ver se funciona, mas há um potencial para a criação desses interessantes circuitos personalizados diretamente no material. "