Pesquisadores da Universidade de Copenhagen e do Microsoft Quantum Lab Copenhagen realizaram recentemente um estudo investigando o potencial dos modos zero de Majorana, estados de quasipartícula de energia zero que podem ser encontrados em nanofios híbridos supercondutores, como um meio de proteger os dados quânticos. Seu papel, publicado em Física da Natureza , descreve a observação de assinaturas de tunelamento assistido por fótons em um nanofio Majorana, oferecendo novos insights interessantes que podem abrir o caminho para uma melhor compreensão desses estados de quase-partículas.

"Nosso objetivo de longo prazo é desenvolver um meio de proteger e controlar as informações quânticas para aplicativos de computação quântica, "co-autor do artigo, Prof. Charles Marcus, disse ao Phys.org via e-mail." Uma proposta intrigante é usar os modos zero de Majorana para oferecer proteção em nível de física, em vez de no nível do circuito usando redundância e correção de erros. "

Em um nível físico, Modos zero Majorana ocultam informações específicas, mais precisamente se um elétron em excesso está presente não localmente ou ausente dentro de um determinado supercondutor topológico. Essas informações não podem ser divulgadas usando ferramentas para a coleta de medições locais.

Teoricamente, usar os modos zero de Majorana para proteger os dados quânticos deve, portanto, ser bastante simples e direto. Contudo, isso tem se mostrado muito difícil de perceber, pois requer esforços substanciais, incluindo o desenvolvimento de métodos para ler estados de energia zero e o projeto de materiais híbridos que podem atingir esses estados em primeiro lugar.

"Uma série de etapas iniciais concretas para a concretização desse conceito foram apresentadas em um artigo teórico que escrevemos em 2016, mas fazer com que até mesmo os subcomponentes de nosso sistema proposto funcionem é um desafio, "Disse Marcus." Um componente crítico é uma junção supercondutora topológica onde os modos Majorana podem ser acoplados e desacoplados usando pulsos elétricos. Nosso experimento recente foi projetado para testar aquele componente específico:o local onde o acoplamento dos modos de Majorana em uma junção pode ser controlado. "

Tunelamento assistido por fóton é uma técnica que pode ser usada para "conectar" estados quânticos de energia total desigual, usando um fóton com uma energia combinando com a diferença. A energia total dos estados quânticos neste experimento depende da presença de um excesso de elétron em estados discretos de energia zero.

Em última análise, esse efeito permitiu que os pesquisadores detectassem uma diferença na ocupação média da carga. Como a frequência do fóton é uma energia que pode ser controlada, eles poderiam inferir a diferença de energia entre os estados quânticos e, finalmente, converter isso em uma força de acoplamento.

"Nos primeiros dias dos dispositivos supercondutores e spin qubit, o tunelamento assistido por fótons era frequentemente usado como uma técnica para mapear a diferença de energia entre os estados de qubits, "David van Zanten, outro pesquisador envolvido no estudo, disse a Phys.org. “A diferença de energia mínima é definida pela energia do acoplamento de troca coerente. Com base neste trabalho anterior, partimos para usar o tunelamento assistido por fótons como uma ferramenta para identificar e caracterizar o acoplamento coerente entre férmions de Majorana de pares diferentes. "

O método utilizado pelos pesquisadores é bastante simples. Implica medir a ocupação de carga média de uma estrutura de ilha dupla que hospeda modos zero de Majorana, ao mesmo tempo, aplicando um tom de micro-ondas a uma estrutura quase metálica acoplada predominantemente a uma das ilhas da estrutura.

Para que sua técnica funcione, os pesquisadores tiveram que desenvolver estruturas supercondutoras supercondutoras adequadas e sensores de carga RF SET que poderiam ser introduzidos dentro de um nanofio InAs / AI, que, por sua vez, deveria ser colocado em um substrato ao qual as microondas poderiam ser aplicadas. Além disso, eles tiveram que ajustar cuidadosamente todos os botões do dispositivo e identificar um intervalo estendido em que todas as condições necessárias para o tunelamento assistido por fóton dos modos zero de Majorana fossem atendidas.

Os autores trabalharam em estreita colaboração com uma equipe de pesquisadores especializados em materiais quânticos, liderado por Peter Krogstrup. Esse grupo de cientistas foi responsável pelo crescimento dos fios usados ​​no experimento.

Em última análise, os materiais e métodos usados ​​em seu experimento permitiram aos pesquisadores observar assinaturas de tunelamento assistido por fótons em um campo magnético finito, induzindo a periodicidade de porta 1e em ambas as ilhas. Apesar disso, deve-se ter cuidado ao interpretar suas descobertas, pois o deles é apenas um resultado preliminar.

“O aspecto mais notável do nosso estudo reside na consistência interna entre as diferentes medidas e observações apresentadas no artigo, junto com outros trabalhos de outros em nossa mesma comunidade de pesquisa, "van Zanten disse." Cada uma de nossas medições indica independentemente a presença de estados discretos com energia zero em ambas as ilhas, uma imagem consistente com os modos zero de Majorana. A consistência interna sugere que nossa interpretação é válida, mas isso prova o acoplamento de Majorana? Não."

De acordo com os pesquisadores, outros estados fermiônicos que ocorrem com energia zero também podem ser construídos de uma forma que se assemelhe aos modos zero de Majorana. Por esta razão, seus resultados, junto com outros semelhantes reunidos por outras equipes no passado, devem ser considerados como interpretações ao invés de fatos.

"Qual das interpretações existentes é mais razoável está sujeita a debate, que é alimentado pela variedade de resultados coletados por diferentes grupos, "Marcus disse." O que mostramos é que em campo alto, há um estado discreto nos fios com energia zero (precisamente onde um Majorana residiria) e que, ao ajustar uma junção, podemos acoplar e desacoplar esses modos de energia zero, medindo sua força de acoplamento. "

O estudo recente realizado pela equipe baseada em Copenhague fornece novas observações que podem ser adicionadas ao conjunto de descobertas relacionadas aos modos zero em fios de Majorana coletados por diferentes equipes de pesquisa na última década ou assim. No futuro, seu trabalho pode servir de base para novos estudos investigando o potencial desses estados para aumentar a segurança da tecnologia quântica.

"Em nossos próximos estudos, gostaríamos de usar sistemas de materiais que sejam mais fáceis de trabalhar, "Marcus disse." Os nanofios que usamos foram um ótimo começo, mas colocar fios individuais à mão não é maneira de construir uma rede de Majoranas. Os materiais são a chave para o progresso neste campo:novos materiais, materiais mais limpos, materiais mais fáceis de trabalhar. "

Além de repetir seu experimento usando diferentes materiais, os pesquisadores planejam realizar estudos incorporando sistemas de múltiplas junções. Na verdade, evidências de pesquisas anteriores sugerem que sistemas com múltiplas junções permitem a criação de dispositivos mais sofisticados e interessantes.

"Gostaríamos agora de apresentar outros olhos no desenvolvimento do nosso sistema, o que nos permitiria distinguir com rapidez e confiança entre os modos zero que podem ocultar informações quânticas e aqueles que não podem, "Marcus e van Zanten disseram." A trança dos modos zero de Majorana é uma demonstração chave de que nossos estados de energia zero possuem a propriedade chave necessária para a proteção da informação, mas essa medição não foi feita. Nosso presente experimento apresenta a teoria básica, mas agora os cientistas materiais e experimentalistas terão que testá-lo. "

© 2020 Science X Network