Os físicos da Rice University dedicados a criar os componentes funcionais de um computador quântico tolerante a falhas conseguiram criar um estado da matéria nunca antes visto.

O "isolante excitônico topológico" foi observado em testes na Rice por uma equipe internacional dos Estados Unidos e da China. Os pesquisadores relatam suas descobertas esta semana no jornal Nature Communications . Seu dispositivo poderia ser usado em um computador quântico topológico, um tipo de computador quântico que armazena informações em partículas quânticas que são "trançadas" como nós que não se rompem facilmente. Estes estáveis, bits quânticos "topológicos" trançados, ou qubits topológicos, poderia superar uma das principais limitações da computação quântica hoje:Qubits que são não-ontopológicos facilmente "descoerem" e perdem as informações que estão armazenando.

Computadores convencionais usam dados binários, informações que são armazenadas como uns ou zeros. Graças às peculiaridades da mecânica quântica, qubits podem representar ambos, zeros e um terceiro estado que é um e zero ao mesmo tempo.

Este terceiro estado pode ser usado para acelerar a computação, tanto que um computador quântico com apenas algumas dezenas de qubits poderia terminar alguns cálculos tão rapidamente quanto um microchip com um bilhão de transistores binários.

No novo estudo, O físico do arroz Rui-Rui Du e o ex-aluno de graduação do Rice Lingjie Du (sem parentesco) colaboraram com pesquisadores do Rice, A Universidade de Pequim e a Academia Chinesa de Ciências criam isoladores excitônicos feitos de minúsculas lascas de ultrapuro, semicondutores empilhados. Os dispositivos, que não têm mais de 100 mícrons de largura, conter uma folha de arsenieto de índio sobre uma folha de antimônio de gálio. Quando resfriado em um banho de hélio líquido a uma temperatura criticamente baixa em torno de 10 Kelvin, um líquido quântico superfluido se forma dentro dos dispositivos e a eletricidade deixa de passar por eles.

"Isso é muito parecido com o processo em um supercondutor, onde você tem elétrons que são atraídos um pelo outro para formar pares que fluem sem resistência, "disse Rui-Rui Du, professor de física e astronomia da Rice e pesquisador do Rice Center for Quantum Materials (RCQM). "No nosso caso, elétrons emparelham com 'buracos de elétrons' carregados positivamente para criar um superfluido com carga líquida igual a zero. "

Lingjie Du, agora um pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Columbia, disse, "É um efeito coletivo, então, para um observador externo, o sistema conduz eletricidade normalmente até que seja resfriado à temperatura crítica, onde muda repentinamente de fase para se tornar um isolante perfeito. "

Para provar que o dispositivo era o isolador excitônico há muito procurado, a equipe primeiro teve que mostrar que o fluido era um condensado quântico. Essa tarefa coube a Xinwei Li, Aluno de pós-graduação no laboratório do pesquisador do RCQM Junichiro Kono. Li e Kono, professor de engenharia elétrica e de computação na Rice, brilharam ondas terahertz através dos dispositivos conforme eram resfriados à temperatura crítica e descobriram que as amostras absorveram energia terahertz em duas bandas distintas - uma assinatura da condensação quântica.

A demonstração do dispositivo envolveu o teste topológico de condução elétrica em uma banda unidimensional em torno de seu perímetro.

"Essa nova propriedade do estado de borda é o que as pessoas estão muito interessadas, "Rui-Rui Du disse." Este estado de borda não tem resistência elétrica, e você obtém a condução na qual os elétrons estão ligados ao seu momento de spin. Se eles têm um tipo de rotação, eles vão no sentido horário e se tiverem o outro vão no sentido anti-horário. "

Os circuitos trançados construídos sobre esses fluxos de elétrons opostos teriam assinaturas topológicas inerentes que poderiam ser usadas para formar qubits tolerantes a falhas.

"A outra beleza disso é que os mesmos princípios ainda se aplicam à temperatura ambiente, "Rui-Rui Du disse." Existem materiais atomicamente em camadas, como o dissulfeto de tungstênio, que poderiam ser usados ​​para criar este mesmo efeito em temperatura ambiente, desde que pudessem ser feitos em forma pura o suficiente. "