Ricercatori dell'Università dell'Illinois a Chicago, in collaborazione con i loro colleghi dell'Università di Amburgo in Germania, hanno immaginato una particella quantistica esotica, chiamata fermione di Majorana, che può essere utilizzata come elemento costitutivo per i futuri qubit e infine per la realizzazione di computer quantistici. I loro risultati sono riportati nella rivista Progressi scientifici .

Più di 50 anni fa, Gordon Moore, l'ex amministratore delegato di Intel, osservato che il numero di transistor su un chip di computer raddoppia ogni 18-24 mesi. Questa tendenza, ora nota come legge di Moore, è continuata fino ai giorni nostri, portando a transistor che misurano solo pochi nanometri, un miliardesimo di metro. A questa scala, le leggi classiche della fisica, che costituiscono la base su cui funzionano i nostri computer attuali, cessare di funzionare, e sono sostituiti dalle leggi della meccanica quantistica. Rendere i transistor ancora più piccoli, che è stato utilizzato in passato per aumentare la velocità di elaborazione e l'archiviazione dei dati, è, perciò, non più possibile.

A meno che i ricercatori non riescano a capire come utilizzare la meccanica quantistica come nuova base per la prossima generazione di computer.

Questa era l'idea di base formulata nel 1982 da Richard Feynman, uno dei fisici teorici più influenti del XX secolo. Piuttosto che usare bit di computer classici che memorizzano informazioni codificate in zero e uno, si potrebbero ideare "bit quantici" - o qubit in breve - che utilizzerebbero le leggi della meccanica quantistica per memorizzare qualsiasi numero compreso tra 0 e 1, aumentando così esponenzialmente la velocità di calcolo e portando alla nascita dei computer quantistici.

"Generalmente, quando lasci cadere il cellulare, non cancella le informazioni sul tuo telefono, " disse Dirk Morr, professore di fisica all'UIC e corrispondente autore del documento. "Questo perché i chip su cui sono memorizzate le informazioni in bit di uno e zero sono abbastanza stabili. Ci vuole un sacco di confusione per trasformare uno in uno zero e viceversa. Nei computer quantistici, però, perché esiste un numero infinito di possibili stati in cui si trova il qubit, le informazioni possono perdersi molto più facilmente."

Per formare qubit più robusti e affidabili, i ricercatori si sono rivolti ai fermioni di Majorana, particelle quantistiche che si verificano solo in coppia.

"Abbiamo solo bisogno di un fermione di Majorana per qubit, e quindi dobbiamo separarli l'uno dall'altro, " disse Morro.

Costruendo qubit da una coppia di fermioni di Majorana, le informazioni possono essere codificate in modo affidabile, purché i Majorana rimangano sufficientemente distanti.

Per ottenere questa separazione, e "immaginare" un singolo fermione di Majorana, è necessario creare un "superconduttore topologico", un sistema in grado di condurre correnti senza perdite di energia, e allo stesso tempo, è legato in un "nodo topologico".

"Questo nodo topologico è simile al buco in una ciambella:puoi deformare la ciambella in una tazza da caffè senza perdere il buco, ma se vuoi distruggere il buco, devi fare qualcosa di piuttosto drammatico, come mangiare la ciambella, " disse Morro.

Per costruire superconduttori topologici, I colleghi di Morr all'Università di Amburgo hanno posizionato un'isola di atomi di ferro magnetici, solo decine di nanometri di diametro, sulla superficie del renio, un superconduttore. Il gruppo di Morr aveva previsto che utilizzando un microscopio a scansione a effetto tunnel, si dovrebbe essere in grado di immaginare un fermione di Majorana come una linea luminosa lungo il bordo dell'isola di atomi di ferro. E questo è esattamente ciò che ha osservato il gruppo sperimentale.

"Essere in grado di visualizzare effettivamente queste particelle quantistiche esotiche ci avvicina di un altro passo alla costruzione di qubit robusti, e infine computer quantistici, Morr ha detto. "Il prossimo passo sarà capire come possiamo ingegnerizzare quantisticamente questi qubit Majorana su chip quantistici e manipolarli per ottenere un aumento esponenziale della nostra potenza di calcolo. Questo ci consentirà di affrontare molti problemi che affrontiamo oggi, dalla lotta al riscaldamento globale e dalla previsione dei terremoti all'alleviamento della congestione del traffico attraverso le auto senza conducente e alla creazione di una rete energetica più affidabile".