Ricercatori dell'Università della Pennsylvania, in collaborazione con la Johns Hopkins University e il Goucher College, hanno scoperto un nuovo materiale topologico che potrebbe consentire il calcolo quantistico tollerante ai guasti. È una forma di calcolo che sfrutta la potenza degli atomi e dei fenomeni subatomici per eseguire calcoli significativamente più velocemente dei computer attuali e potrebbe potenzialmente portare a progressi nello sviluppo di farmaci e altri sistemi complessi.

La ricerca, pubblicato in ACS Nano , era guidato da Jerome Mlack, un ricercatore post-dottorato presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia della Penn's School of Arts &Sciences, e i suoi mentori Nina Markovic, ora professore associato alla Goucher, e Marija Drndic, Fay R. e Eugene L. Langberg Professore di fisica alla Penn. Gli studenti universitari della Penn Gopinath Danda e Sarah Friedensen, che ha ricevuto una borsa di studio NSF per questo lavoro, e la professoressa di ricerca associata della Johns Hopkins Natalia Drichko e il postdoc Atikur Rahman, ora assistente professore presso l'Indian Institute of Science Education and Research, Pune, anche contribuito allo studio.

La ricerca è iniziata mentre Mlack era un dottorato di ricerca. candidato alla Johns Hopkins. Lui e altri ricercatori stavano lavorando alla crescita e alla realizzazione di dispositivi con isolanti topologici, un tipo di materiale che non conduce corrente attraverso la maggior parte del materiale ma può trasportare corrente lungo la sua superficie.

Mentre i ricercatori stavano lavorando con questi materiali, uno dei loro dispositivi è esploso, simile a quello che accadrebbe con un cortocircuito.

"Si è sciolto un po', "Mlack ha detto, "e quello che abbiamo scoperto è che, se misurassimo la resistenza di questa regione fusa di uno di questi dispositivi, è diventato superconduttore. Quindi, quando siamo tornati indietro e abbiamo guardato cosa è successo al materiale e abbiamo cercato di scoprire quali elementi c'erano lì dentro, abbiamo visto solo seleniuro di bismuto e palladio."

Quando i materiali superconduttori vengono raffreddati, possono portare una corrente con resistenza elettrica zero senza perdere energia.

Si prevede che gli isolanti topologici con proprietà superconduttive abbiano un grande potenziale per la creazione di un computer quantistico tollerante ai guasti. Però, è difficile stabilire un buon contatto elettrico tra l'isolante topologico e il superconduttore e scalare tali dispositivi per la fabbricazione, utilizzando le tecniche attuali. Se questo nuovo materiale potesse essere ricreato, potrebbe potenzialmente superare entrambe queste difficoltà.

Nel calcolo standard, la più piccola unità di dati che compone il computer e memorizza le informazioni, la cifra binaria, orbita, può avere un valore di 0, per spento, o 1, per su. L'informatica quantistica sfrutta un fenomeno chiamato sovrapposizione, il che significa che i bit, in questo caso chiamati qubit, può essere 0 e 1 contemporaneamente.

Un modo famoso per illustrare questo fenomeno è un esperimento mentale chiamato il gatto di Schrodinger. In questo esperimento mentale, c'è un gatto in una scatola, ma non si sa se il gatto è vivo o morto finché la scatola non viene aperta. Prima di aprire la scatola, il gatto può essere considerato sia vivo che morto, esistente in due stati contemporaneamente, ma, subito dopo aver aperto la scatola, lo stato del gatto, o nel caso dei qubit, la configurazione del sistema, collassa in uno:il gatto è vivo o morto e il qubit è 0 o 1.

"L'idea è di codificare le informazioni usando questi stati quantistici, "Markovic ha detto "ma per poterlo utilizzare deve essere codificato ed esistere abbastanza a lungo da poter essere letto."

Uno dei maggiori problemi nel campo dell'informatica quantistica è che i qubit non sono molto stabili ed è molto facile distruggere gli stati quantistici. Questi materiali topologici forniscono un modo per far vivere questi stati abbastanza a lungo da poterli leggere e fare qualcosa con loro, ha detto Markovic.

"È un po' come se la scatola nel gatto di Schrödinger fosse in cima a un'asta di bandiera e il minimo vento potesse semplicemente farla cadere, " Ha detto Mlack. "L'idea è che questi materiali topologici almeno allarghino il diametro dell'asta della bandiera in modo che la scatola si trovi più su una colonna che su un'asta della bandiera. Puoi buttarlo via alla fine, ma per il resto è molto difficile rompere la scatola e scoprire cosa è successo al gatto".

Sebbene la loro scoperta iniziale di questo materiale sia stata un incidente, sono stati in grado di elaborare un processo per ricrearlo in modo controllato.

Markovic, che all'epoca era il consigliere di Mlack alla Johns Hopkins, ha suggerito che, per ricrearlo senza dover continuamente far saltare in aria i dispositivi, potrebbero ricotturarlo termicamente, un processo in cui lo mettono in una fornace e lo riscaldano a una certa temperatura.

Usando questo metodo, i ricercatori hanno scritto, "il metallo entra direttamente nella nanostruttura, fornendo un buon contatto elettrico e può essere facilmente modellato nella nanostruttura utilizzando la litografia standard, consentendo una facile scalabilità dei circuiti superconduttori personalizzati in un isolante topologico."

Sebbene i ricercatori abbiano già la capacità di creare un materiale topologico superconduttore, c'è un grosso problema nel fatto che, quando mettono insieme due materiali, c'è una crepa nel mezzo, che diminuisce il contatto elettrico. Questo rovina le misurazioni che possono fare così come i fenomeni fisici che potrebbero portare alla realizzazione di dispositivi che consentiranno il calcolo quantistico.

Modellandolo direttamente nel cristallo, il superconduttore è incorporato, e non c'è nessuno di questi problemi di contatto. La resistenza è molto bassa, e possono modellare dispositivi per il calcolo quantistico in un singolo cristallo.

Per testare le proprietà superconduttive del materiale, l'hanno messo in due frigoriferi estremamente freddi, uno dei quali si raffredda quasi fino allo zero assoluto. Hanno anche spazzato un campo magnetico attraverso di esso, che ucciderebbe la superconduttività e la natura topologica del materiale, per scoprire i limiti del materiale. Hanno anche fatto misurazioni elettriche standard, facendo passare una corrente e osservando la tensione che si crea.

"Penso che ciò che è anche bello in questo documento sia la combinazione delle prestazioni del trasporto elettrico e le intuizioni dirette dall'effettiva caratterizzazione dei materiali del dispositivo, "Drndic ha detto. "Abbiamo buone intuizioni sulla composizione di questi dispositivi per supportare tutte queste affermazioni perché abbiamo fatto un'analisi elementare per capire come si uniscono questi due materiali".

Uno dei vantaggi del dispositivo dei ricercatori è che è potenzialmente scalabile, in grado di adattarsi a un chip simile a quelli attualmente nei nostri computer.

"In questo momento i principali progressi nell'informatica quantistica coinvolgono metodi di litografia molto complicati, "Drndic ha detto. "La gente lo fa con nanofili che sono collegati a questi circuiti. Se disponi di singoli nanofili che sono molto, molto piccoli e poi bisogna metterli in posti particolari, è molto difficile. La maggior parte delle persone che sono in prima linea in questa ricerca ha strutture multimilionarie e molte persone dietro di esse. Ma questo, in linea di principio, possiamo fare in un laboratorio. Permette di realizzare questi dispositivi in ​​modo semplice. Puoi semplicemente andare a scrivere il tuo dispositivo nel modo che preferisci."

Secondo Mlack, anche se c'è ancora una discreta quantità di limitazioni su di esso; c'è un intero campo che è germogliato dedicato a trovare modi nuovi e interessanti per cercare di sfruttare questi stati quantistici e informazioni quantistiche. In caso di successo, l'informatica quantistica consentirà una serie di cose.

"Consentirà una decrittazione e crittografia delle informazioni molto più rapide, " Egli ha detto, "Ecco perché alcuni dei grandi appaltatori della difesa della NSA, così come aziende come Microsoft, ne sono interessati. Ci consentirà inoltre di modellare i sistemi quantistici in un ragionevole lasso di tempo ed è in grado di eseguire determinati calcoli e simulazioni più velocemente di quanto si sarebbe normalmente in grado di fare".

È particolarmente indicato per problemi di tipo completamente diverso, come problemi che richiedono enormi calcoli paralleli, ha detto Markovic. Se hai bisogno di fare molte cose contemporaneamente, L'informatica quantistica accelera enormemente le cose.

"Ci sono problemi in questo momento che richiederebbero l'età dell'universo per essere calcolati, " lei disse.

"Con l'informatica quantistica, saresti in grado di farlo in pochi minuti." Ciò potrebbe potenzialmente portare anche a progressi nello sviluppo di farmaci e altri sistemi complessi, oltre a consentire nuove tecnologie.

I ricercatori sperano di iniziare a costruire alcuni dispositivi più avanzati orientati alla creazione di un qubit dai sistemi che hanno, oltre a provare diversi metalli per vedere se possono cambiare le proprietà del materiale.

"È davvero un nuovo potenziale modo di fabbricare questi dispositivi che nessuno ha mai fatto prima, " ha detto Mlack. "In generale, quando le persone realizzano alcuni di questi materiali combinando questo materiale topologico e la superconduttività, è un grosso cristallo, quindi non controlli davvero dove si trova tutto. Qui possiamo effettivamente personalizzare il modello che stiamo realizzando nel materiale stesso. Questa è la parte più eccitante, soprattutto quando si inizia a parlare dell'aggiunta di diversi tipi di metalli che gli conferiscono caratteristiche diverse, siano essi materiali ferromagnetici o elementi che potrebbero renderlo più isolante. Dobbiamo ancora vedere se funziona, ma c'è la possibilità di creare questi interessanti circuiti personalizzati direttamente nel materiale".