Qubits, as unidades usadas para codificar informações na computação quântica, nem todos são criados iguais. Alguns pesquisadores acreditam que qubits topológicos, que são mais resistentes e menos suscetíveis a ruídos ambientais do que outros tipos, pode ser o melhor meio para impulsionar a computação quântica.

A física quântica trata de como as partículas fundamentais interagem e às vezes se unem para formar novas partículas chamadas quasipartículas. Quasipartículas aparecem em modelos teóricos sofisticados, mas observá-los e medi-los experimentalmente tem sido um desafio. Com a criação de um novo dispositivo que permite aos pesquisadores sondar a interferência de quasipartículas, podemos estar um salto gigante mais perto. Os resultados foram publicados segunda-feira em Física da Natureza .

"Somos capazes de sondar essas partículas fazendo-as interferir, "disse Michael Manfra, o Bill e Dee O'Brian Chair Professor of Physics and Astronomy na Purdue University. "As pessoas vêm tentando fazer isso há muito tempo, mas houve grandes desafios técnicos. "

Para estudar partículas tão pequenas, O grupo de Manfra constrói pequenininho, dispositivos minúsculos usando uma técnica de crescimento de cristal que constrói camada atômica por camada atômica, chamado epitaxia de feixe molecular. Os dispositivos são tão pequenos que confinam os elétrons em duas dimensões. Como uma bola de gude rolando em uma mesa, eles não podem se mover para cima ou para baixo.

Se o dispositivo, ou "mesa, "é limpo e suave o suficiente, o que domina a física do experimento não são as ações individuais dos elétrons, mas como eles interagem uns com os outros. Para minimizar a energia individual das partículas, A equipe de Manfra resfriou-os a temperaturas extremamente baixas - cerca de -460 graus Fahrenheit. Adicionalmente, os elétrons foram submetidos a um grande campo magnético. Sob essas três condições:temperaturas extremamente baixas, confinado a duas dimensões, e exposto a um campo magnético, física realmente estranha começa a acontecer. Os físicos chamam isso de regime de hall quântico fracionário.

"Nessas condições exóticas, elétrons podem se organizar de forma que o objeto básico pareça carregar um terço da carga de um elétron, "disse Manfra, que também é professor de engenharia de materiais, e engenharia elétrica e informática. "Pensamos nas partículas elementares como bósons ou férmions, dependendo da rotação da partícula, mas nossas quasipartículas têm um comportamento muito mais complexo à medida que evoluem em torno umas das outras. Determinar a carga e as propriedades estatísticas desses estados é um desafio de longa data na física quântica. "

Para fazer as partículas interferirem, O grupo de Manfra construiu um interferômetro:um dispositivo que mescla duas ou mais fontes de quase-partículas para criar um padrão de interferência. Se você jogou duas pedras em um lago, e suas ondas se cruzaram em algum ponto, é onde eles gerariam interferência e os padrões mudariam.

Mas replicar esses efeitos em uma escala muito menor é extremamente difícil. Em um espaço tão apertado, elétrons tendem a se repelir, portanto, é necessário energia adicional para colocar outro elétron no espaço. Isso tende a bagunçar os efeitos de interferência, de modo que os pesquisadores não podem vê-los claramente.

O interferômetro de Purdue supera esse desafio adicionando placas metálicas a apenas 25 nanômetros de distância das quasipartículas interferentes. As placas metálicas filtram as interações repulsivas, reduzindo o custo de energia e permitindo que ocorram interferências.

O novo dispositivo tem paredes idênticas em cada lado e portões de metal, um pouco como uma máquina de pinball. Mas ao contrário de um pinball, que se espalha caoticamente, os elétrons neste dispositivo seguem um padrão muito restrito.

"A mágica do efeito hall quântico é que toda a corrente viajará na borda da amostra, não pelo meio, "disse James Nakamura, Ph.D. candidato em Purdue e autor principal do artigo. "Quando as quasipartículas são encapsuladas no divisor de feixe, eles estão divididos ao meio, no sentido da mecânica quântica. Isso acontece duas vezes, em dois divisores de feixe, e a interferência ocorre entre os dois caminhos diferentes. "

Em um reino tão bizarro da física, pode ser difícil para os pesquisadores saber se o que eles pensam que estão vendo é o que estão realmente vendo. Mas esses resultados mostram que, potencialmente pela primeira vez, pesquisadores testemunharam a interferência da mecânica quântica de quasipartículas.

Esse mecanismo também pode ajudar no desenvolvimento de qubits topológicos no futuro.

"Até onde sabemos, esta é a única plataforma viável para tentar fazer experimentos mais complexos que podem, em estados mais complicados, ser a base de um qubit topológico, "Disse Manfra." Estamos tentando construir isso há algum tempo, com o objetivo final de validar algumas dessas propriedades muito estranhas. Ainda não chegamos lá, mas mostramos que este é o melhor caminho a seguir. "