Ricercatori finanziati dall'esercito degli Stati Uniti presso l'Università della California a Los Angeles hanno trovato una proverbiale firma fumante della tanto agognata particella Majorana, e il ritrovamento, dicono, potrebbe bloccare gli intrusi su reti di comunicazione sensibili.

Le particelle di Majorana, predette più di 80 anni fa dal fisico teorico italiano Ettore Majorana, potrebbero diventare elementi fondamentali per i computer quantistici perché le loro proprietà insolite li rendono resistenti alle interferenze esterne e prevengono la perdita di informazioni quantistiche.

La scoperta non solo risolve un problema di vecchia data in fisica, ma apre anche una potenziale strada per controllare i fermioni di Majorana per realizzare calcoli quantistici topologici robusti, ha detto il dottor Joe Qiu, responsabile del Programma di Elettronica a Stato Solido presso la Direzione di Scienze dell'Ingegneria presso l'Ufficio Ricerche dell'Esercito, un elemento del laboratorio di ricerca dell'esercito americano, situato al Research Triangle Park a Durham, Carolina del Nord.

I computer quantistici potrebbero risolvere i problemi in modo molto più rapido ed efficiente rispetto ai computer classici, potenzialmente portando a un miglioramento significativo della consapevolezza situazionale con la capacità di elaborare grandi quantità di dati disponibili, un'area di ricerca prioritaria fondamentale per l'esercito americano.

"Precedenti approcci sperimentali basati su nanofili semiconduttori su superconduttori hanno prodotto segnali inconcludenti che potrebbero essere attribuiti anche ad altri effetti, " ha detto Qiu. "L'esperimento UCLA che utilizza strati sovrapposti di isolante magnetico topologico e superconduttore ha dimostrato la prova più chiara e inequivocabile delle particelle come previsto finora dalla teoria".

La ricerca che ha portato alla scoperta rappresenta una stretta collaborazione interdisciplinare tra un team di ricercatori tra cui ingegneri elettrici, fisici e scienziati dei materiali. Il team dell'UCLA è finanziato da un'iniziativa di ricerca universitaria multidisciplinare dell'esercito, o MURI, premio gestito congiuntamente da Electronics (Dr. Joe Qiu), Divisioni di Fisica (Dr. Marc Ulrich) e Materiali (Dr. John Prater) presso ARO. ARO finanzia la ricerca per avviare scoperte tecnologiche scientifiche e di vasta portata in organizzazioni extramurali, istituzioni educative, organizzazioni senza scopo di lucro e industria privata che potrebbero rendere i futuri soldati americani più forti e più sicuri.

Questa ricerca è stata condotta dal Prof. Kang Wang, un illustre professore di ingegneria elettrica dell'UCLA, di fisica e di scienza e ingegneria dei materiali, che detiene anche la cattedra Raytheon in ingegneria elettrica dell'UCLA.

Pubblicato per la prima volta sulla prestigiosa rivista Scienza lo scorso luglio, la ricerca è stata presentata in un discorso su invito presentato dal professor Wang e in altri due discorsi su invito correlati dai suoi collaboratori durante l'American Physical Society March Meeting.

"Poiché la particella Majorana è la sua stessa antiparticella, che porta carica elettrica zero, è vista come il miglior candidato per trasportare un bit quantico, o qubit, l'unità di dati che sarebbe alla base dei computer quantistici. A differenza dei "bit" di dati nei computer standard, che può essere rappresentato come 0 o 1, i qubit possono essere sia 0 che 1, una proprietà che darebbe ai computer quantistici esponenzialmente più potenza e velocità di calcolo rispetto ai migliori supercomputer di oggi, " disse Qi.

La particella Majorana è stata al centro di un vivo interesse per l'informatica quantistica in gran parte perché la sua carica neutra la rende resistente alle interferenze esterne e le dà la capacità di sfruttare e sostenere una proprietà quantistica nota come entanglement. L'entanglement consente a due particelle fisicamente separate di codificare contemporaneamente informazioni, che potrebbe generare un'enorme potenza di calcolo.

"Immagina che i bit di dati nei computer standard siano come le auto che viaggiano in entrambe le direzioni su autostrade a due corsie, " ha detto Wang, che è anche direttore del Centro di eccellenza nella nanotecnologia verde della città di King Abdulaziz per la scienza e la tecnologia. "Un computer quantistico potrebbe avere molte corsie e molti livelli di 'traffico, ' e le auto potevano saltare tra i livelli e viaggiare in entrambe le direzioni allo stesso tempo, in ogni corsia e ad ogni livello. Abbiamo bisogno di stabili, "automobili" quantistiche corazzate per fare questo e le particelle di Majorana sono quelle supercar".

Per la loro ricerca, il team ha installato un superconduttore, un materiale che consente agli elettroni di fluire liberamente attraverso le sue superfici senza resistenza, e collocato sopra di esso una sottile pellicola di un nuovo materiale quantistico chiamato isolante topologico, per dare agli ingegneri la capacità di manipolare le particelle in uno schema specifico. Dopo aver spazzato un campo magnetico molto piccolo sulla configurazione, i ricercatori hanno trovato il segnale quantizzato distinto delle particelle di Majorana, l'impronta digitale rivelatrice di un tipo specifico di particelle quantistiche, nel traffico elettrico tra i due materiali.

"Le particelle di Majorana si presentano e si comportano come le metà di un elettrone, anche se non sono pezzi di elettroni, " disse Qing Lin He, uno studioso post-dottorato UCLA e co-autore principale del Scienza carta. "Abbiamo osservato il comportamento quantistico, e il segnale che abbiamo visto ha mostrato chiaramente l'esistenza di queste particelle."

Nell'esperimento, Le particelle di Majorana hanno viaggiato lungo i bordi dell'isolante topologico in un distinto schema a treccia. I ricercatori hanno affermato che il prossimo passo nella loro ricerca esplorerà come utilizzare le particelle di Majorana nell'intreccio quantistico, che li unirebbe insieme per consentire l'archiviazione e l'elaborazione delle informazioni a velocità super elevate.

Lei Pan, uno studente di dottorato in ingegneria elettrica dell'UCLA e co-autore del documento, ha detto che le proprietà uniche delle particelle di Majorana sembrerebbero renderle particolarmente utili per i computer quantistici topologici.

"Mentre i sistemi quantistici convenzionali hanno schemi sofisticati per correggere gli errori, le informazioni codificate in un computer quantistico topologico non possono essere facilmente corrotte, " ha detto. "La cosa eccitante nell'usare le particelle di Majorana per costruire computer quantistici è che il sistema sarebbe tollerante ai guasti".

Il team di ricerca comprende anche membri che collaborano da UC Irvine, UC Davis e la Stanford University.