Un nuevo estudio ha descubierto un comportamiento importante de las corrientes eléctricas a través de superconductores, lo que podría impulsar el desarrollo de tecnologías futuras para el procesamiento controlado de información cuántica..
El estudio fue coautor de Babak Seradzeh, profesor de física en la Facultad de Artes y Ciencias de la Universidad de Indiana en Bloomington, junto con el físico teórico Rekha Kumari y Arijit Kundu del Instituto Indio de Tecnología de Kanpur. Aunque el estudio fue teórico, el equipo de investigación confirmó sus resultados mediante simulaciones numéricas. Publicado en carta de revisión físicaLa investigación, la revista de física líder en el mundo, se centra en los “fermiones de Flocet Majorana” y su papel en un fenómeno llamado efecto Josephson, que podría conducir a un control más preciso de la dinámica de los sistemas cuánticos impulsados.
La computación cuántica está potencialmente avanzando
El desarrollo de una computadora cuántica completa se ve obstaculizado por un problema clave: la inestabilidad. Esta inestabilidad se debe principalmente a algo llamado “decoherencia cuántica”, donde los bits cuánticos, conocidos como “qubits”, pierden su fino estado cuántico debido a la interferencia de su entorno, como las fluctuaciones de temperatura o el ruido electromagnético.
Los qubits se pueden fabricar utilizando una variedad de sistemas físicos, como iones atrapados, matrices ópticas o superconductores, materiales que pueden conducir electricidad con resistencia cero sin perder energía, a menudo a temperaturas extremadamente bajas cercanas al cero absoluto. Esto hace que las computadoras cuánticas consuman mucha energía para mantenerse frías y, por lo tanto, estables, porque cuando los qubits no se mantienen lo suficientemente fríos se vuelven más inestables, lo que significa errores mayores y más frecuentes.
Una forma de abordar estas deficiencias es buscar “superconductores a temperatura ambiente”, a menudo denominados el santo grial de la superconductividad, porque el proceso de enfriamiento es muy caro y complicado. Si los científicos pueden crear materiales que exhiban superconductividad cerca de la temperatura ambiente (alrededor de 20 a 25 grados Celsius o 68 a 77 grados Fahrenheit), podría revolucionar la tecnología tal como la conocemos, lo que eventualmente conduciría a una transmisión de energía sin pérdidas, electrónica más rápida y con mayor eficiencia energética. y criptoseguridad avanzada.
El profesor Seradzeh y sus colegas abordan el problema de la decoherencia de una manera diferente: codificando de forma no local la información cuántica para que se extienda a una mayor distancia en el espacio y, por lo tanto, la haga inmune al ruido y las fluctuaciones locales.
¿Qué hace que los “Flocet Majorana Fermions” sean especiales para la computación cuántica?
Los fermiones de Majorana llevan el nombre de Ettore Majorana, el físico italiano que propuso por primera vez su existencia en 1937 como partículas subatómicas que se comportan de maneras únicas; A diferencia de la mayoría de las partículas, los fermiones de Majorana son sus propias antipartículas. (Para cada tipo de partícula en el universo, como electrones y protones, existe una antipartícula correspondiente con carga opuesta y la misma masa, y esta simetría entre partículas y antipartículas es una parte fundamental de la estructura del universo).
El físico matemático Alexey Kitaev se dio cuenta en 2000 de que los fermiones de Majorana podían existir no sólo como partículas elementales, sino también como excitaciones cuánticas de ciertos materiales conocidos como superconductores topológicos. Se diferencian de los superconductores regulares en que un superconductor topológico tiene estados cuánticos únicos y estables en la superficie o borde que están protegidos por la topología intrínseca del material: la forma en que se forman los movimientos de los electrones a nivel cuántico.
Estos estados superficiales los hacen resistentes a los obstáculos, por lo que tienen potencial para desarrollar computadoras cuánticas más estables. Estos estados de borde especiales se comportan exactamente como los fermiones de Majorana, que no existen en los superconductores regulares. En teoría, estos fermiones de Majorana podrían usarse para almacenar información cuántica de forma no local, proporcionando así una forma de proteger los qubits de la decoherencia.
El profesor Seradzeh y sus colegas exploraron los fermiones de Majorana en un contexto específico: superconductores que son “impulsados periódicamente”, es decir, que están expuestos a fuentes de energía externas que se encienden y apagan en un patrón repetido. Esta conducción periódica cambia el comportamiento de los fermiones de Majorana, transformándolos en “fermiones floquet de Majorana” (FMF). Los fermiones de Floquet Majorana pueden existir en estados específicos que no son posibles sin un impulso periódico, que varían según su interacción con la fuente de energía cíclica. La conducción periódica de superconductores es clave para mantener los FMF y los patrones inusuales que crean.
Para producir una corriente eléctrica en un conductor normal entre dos puntos se debe aplicar un voltaje, que actúa como una presión que empuja la corriente entre los dos puntos. Pero un extraño proceso de túnel cuántico conocido como “efecto Josephson” permite que la corriente fluya entre dos superconductores sin necesidad de voltaje. La FMF afecta esta corriente de Josephson de una manera única. En la mayoría de los sistemas, la corriente entre dos superconductores se repite a intervalos regulares. Sin embargo, los FMF se manifiestan en un patrón de corrientes que oscilan a la mitad de la velocidad normal, creando una firma única que puede ayudar en su identificación.
Tuning actual con nuevas técnicas.
Uno de los hallazgos clave revelados por la investigación de Seradzeh y sus colegas es que la intensidad de la corriente de Josephson (la cantidad de corriente eléctrica) se puede ajustar utilizando el “potencial químico” de los superconductores. En pocas palabras, el potencial químico actúa como un dial que ajusta las propiedades del material, y los investigadores han descubierto que se puede modular sincronizando la frecuencia de una fuente de energía externa que impulsa el sistema. Esto podría dar a los científicos un nuevo nivel de control sobre la materia cuántica y abrir posibilidades para aplicaciones en el procesamiento de información cuántica, donde la manipulación precisa de los estados cuánticos es importante.
El descubrimiento de que los fermiones de Floquet Majorana tienen propiedades únicas que pueden controlarse con un disco externo podría ayudar a allanar el camino para construir computadoras cuánticas que sean más rápidas y resistentes a los errores. Estos resultados proporcionan una hoja de ruta para que investigadores de todo el mundo identifiquen y exploren propiedades nuevas y controlables en sistemas cuánticos impulsados.