Cientistas da UC Santa Bárbara estão à beira de um grande avanço na computação quântica topológica.

Em um artigo que aparece no jornal Natureza , Chris Palmstrøm, um professor da UCSB de engenharia elétrica e da computação e de materiais, e colegas descrevem um método pelo qual nanofios em forma de "hashtag" podem ser coagidos a gerar quasipartículas de Majorana. Essas quasipartículas são estados exóticos que, se realizados, pode ser usado para codificar informações com muito pouco risco de decoerência - um dos maiores desafios da computação quântica - e, portanto, pouca necessidade de correção de erros quânticos.

"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 do artigo) das Universidades de Tecnologia de Delft e Eindhoven na Holanda, relataram a primeira observação de estados consistentes com essas quasipartículas. No momento, Contudo, eles pararam perto de uma prova definitiva de que eram de fato os Majoranas, e não outros fenômenos.

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

As quasipartículas foram nomeadas em homenagem ao 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 - podem aniquilar-se mutuamente. Eles também têm a qualidade de não serem 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 deseja mover essas Majoranas fisicamente uma em torno da outra, eles vão se lembrar se foram movidos no sentido horário ou anti-horário, "disse Mihir Pendharkar, um estudante de pós-graduação pesquisador no Grupo Palmstrøm. Esta operação de mover um ao redor do outro, Ele continuou, é o que se chama de "trança". Os cálculos poderiam, em teoria, ser realizados trançando as Majoranas e, em seguida, fundindo-as, liberando um poof de energia - uma "alta digital" - ou absorvendo energia - uma "baixa 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 a informação das perturbações ambientais (ruído) que podem afetar as Majoranas individuais.

Contudo, antes que qualquer trança possa ser realizada, essas quasipartículas frágeis e fugazes devem primeiro ser geradas. Nesta colaboração internacional, wafers semicondutores começaram sua jornada com a padronização de gotas de ouro na Universidade de Tecnologia de Delft. Com as gotículas de ouro agindo como sementes, Nanofios semicondutores de antimonídeo de índio (InSb) foram então cultivados na Universidade de Tecnologia de Eindhoven. Próximo, os nanofios viajaram pelo mundo até Santa Bárbara, onde os pesquisadores do Palmstrøm Group os limparam cuidadosamente e cobriram parcialmente com uma fina camada de alumínio supercondutor. Os nanofios foram devolvidos à Holanda para medições elétricas de baixa temperatura.

"Foi previsto que o Majorana ocorra entre um supercondutor e um fio semicondutor, "Palmstrøm explicou. Alguns dos fios que se cruzam no dispositivo em forma de hashtag infinitesimal são fundidos, enquanto outros quase não sentem falta um do outro, deixando uma lacuna muito precisa. Este design inteligente, de acordo com os pesquisadores, permite que algumas regiões de um nanofio fiquem sem um revestimento de alumínio, estabelecendo condições ideais para a medição de Majoranas.

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

Majoranas, por causa de sua imunidade particular ao erro, pode ser usado 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 praticável porque sua tolerância a falhas exigirá menos qubits para correção de erros.

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

O passo final para a prova conclusiva de Majoranas será na trança, um experimento que os pesquisadores esperam conduzir em um futuro próximo. Para esse fim, os cientistas continuam a construir nesta base com designs que podem permitir e medir o resultado da trança.

"Tivemos o financiamento e a experiência de pessoas que são especialistas no lado da medição das coisas, e especialistas no lado teórico das coisas, "Pendharkar disse, "e tem sido uma grande colaboração que nos trouxe até este nível."