Os computadores quânticos prometem grandes avanços em muitos campos - da criptografia à simulação do enovelamento de proteínas. Ainda, qual sistema físico funciona melhor para construir os bits quânticos subjacentes ainda é uma questão em aberto. Ao contrário dos bits regulares em seu computador, esses chamados qubits não podem apenas assumir os valores 0 e 1, mas também misturas dos dois. Embora isso os torne potencialmente muito úteis, eles também se tornam muito instáveis.

Uma abordagem para resolver esse problema aposta em qubits topológicos que codificam as informações em seu arranjo espacial. Isso poderia fornecer uma base de cálculo mais estável e resistente a erros do que outras configurações. O problema é que ninguém jamais encontrou definitivamente um qubit topológico ainda.

Uma equipe internacional de pesquisadores da Áustria, Copenhague, e Madrid em torno de Marco Valentini do grupo de Nanoeletrônica no IST Áustria agora examinou uma configuração que foi prevista para produzir os chamados modos zero de Majorana - o ingrediente principal para um qubit topológico. Eles descobriram que um sinal válido para esses modos pode, na verdade, ser um sinalizador falso.

Metade de um elétron

A configuração experimental é composta de um minúsculo fio de apenas algumas centenas de nanômetros - alguns milionésimos de milímetro - de comprimento, desenvolvido por Peter Krogstrup da Microsoft Quantum e da Universidade de Copenhagen. Esses nanofios apropriadamente chamados formam uma conexão flutuante entre dois condutores de metal em um chip. Eles são revestidos com um material supercondutor que perde toda a resistência elétrica em temperaturas muito baixas. O revestimento vai até uma pequena parte deixada em uma extremidade do fio, que forma uma parte crucial da configuração:a junção. Toda a engenhoca é então exposta a um campo magnético.

As teorias dos cientistas previram que os modos zero de Majorana - a base para o qubit topológico que eles estavam procurando - deveriam aparecer no nanofio. Esses modos zero de Majorana são um fenômeno estranho, porque eles começaram como um truque matemático para descrever um elétron no fio como composto de duas metades. Usualmente, os físicos não pensam nos elétrons como algo que pode ser dividido, mas usando esta configuração de nanofio deveria ser possível separar esses "meio-elétrons" e usá-los como qubits.

"Ficamos entusiasmados em trabalhar nesta plataforma de materiais muito promissora, "explica Marco Valentini, que ingressou no IST Áustria como estagiário antes de se tornar um Ph.D. aluno do grupo de Nanoeletrônica. "O que esperávamos ver era o sinal dos modos zero de Majorana no nanofio, mas não encontramos nada. Primeiro, estávamos confusos, então frustrado. Eventualmente, e em estreita colaboração com nossos colegas do grupo de Teoria dos Materiais Quânticos e Tecnologias Quânticas de Estado Sólido em Madrid, examinamos a configuração, e descobri o que havia de errado com ele. "

Uma bandeira falsa

Depois de tentar encontrar as assinaturas dos modos zero de Majorana, os pesquisadores começaram a variar a configuração do nanofio para verificar se algum efeito de sua arquitetura estava perturbando o experimento. "Fizemos vários experimentos em diferentes configurações para descobrir o que estava errado, "Valentini explica." Demorou um pouco, mas quando dobramos o comprimento da junção não revestida de cem nanômetros para duzentos, encontramos nosso culpado. "

Quando a junção era grande o suficiente, o seguinte aconteceu:O nanofio interno exposto formou o chamado ponto quântico - uma partícula minúscula de matéria que mostra propriedades mecânicas quânticas especiais devido à sua geometria confinada. Os elétrons neste ponto quântico poderiam interagir com os do supercondutor de revestimento próximo a ele, e, com isso, imitam o sinal dos "meio-elétrons" - os modos zero de Majorana - que os cientistas estavam procurando.

“Esta conclusão inesperada veio depois que estabelecemos o modelo teórico de como o ponto quântico interage com o supercondutor em um campo magnético e comparamos os dados experimentais com simulações detalhadas realizadas por Fernando Peñaranda, um Ph.D. aluno da equipe de Madrid, "diz Valentini.

"Confundir esse sinal de imitação com um modo zero de Majorana nos mostra como devemos ser cuidadosos em nossos experimentos e conclusões, "Valentini adverte." Embora isso possa parecer um passo atrás na busca pelos modos zero de Majorana, na verdade, é um passo crucial para a compreensão dos nanofios e seus sinais experimentais. Esta descoberta mostra que o ciclo de descoberta e exame crítico entre pares internacionais é fundamental para o avanço do conhecimento científico. "