Gli scienziati della UC Santa Barbara sono alla vigilia di un importante progresso nel calcolo quantistico topologico.

In un articolo che appare sulla rivista Natura , Chris Palmstrøm, un professore UCSB di ingegneria elettrica e informatica e dei materiali, e colleghi descrivono un metodo mediante il quale i nanofili a forma di "hashtag" possono essere persuasi a generare quasiparticelle di Majorana. Queste quasiparticelle sono stati esotici che, se realizzati, può essere utilizzato per codificare le informazioni con un rischio minimo di decoerenza, una delle maggiori sfide dell'informatica quantistica, e quindi, poca necessità di correzione dell'errore quantistico.

"Questo è stato davvero un buon passo per far accadere le cose, " ha detto Palmstrøm. Nel 2012, Gli scienziati olandesi Leo Kouwenhoven ed Erik Bakkers (anche autori dell'articolo) delle università di tecnologia di Delft e di Eindhoven nei Paesi Bassi, riportò la prima osservazione di stati coerenti con queste quasiparticelle. Al tempo, però, si fermarono prima della prova definitiva che erano in realtà i Majorana, e non altri fenomeni.

Sotto l'egida della Research Station Q di Microsoft Corporation con sede nel campus della UCSB, questo team di scienziati fa parte di un più grande sforzo internazionale per costruire il primo computer quantistico topologico.

Le quasiparticelle prendono il nome dal fisico italiano Ettore Majorana, che ne predisse l'esistenza nel 1937, intorno alla nascita della meccanica quantistica. Hanno la particolarità unica di essere le proprie antiparticelle:possono annichilirsi a vicenda. Hanno anche la qualità di non essere abeliani, con conseguente capacità di "ricordare" le loro posizioni relative nel tempo, una proprietà che li rende centrali per il calcolo quantistico topologico.

"Se devi spostare fisicamente questi Majorana uno intorno all'altro, ricorderanno se sono stati spostati in senso orario o antiorario, " disse Mihir Pendharkar, uno studente laureato ricercatore nel gruppo Palmstrøm. Questa operazione di muoversi l'uno intorno all'altro, Lui continuò, è ciò che viene definito "intreccio". I calcoli potrebbero in teoria essere eseguiti intrecciando i Majorana e poi fondendoli, rilasciando uno sbuffo di energia - un "massimo digitale" - o assorbendo energia - un "massimo digitale". Le informazioni sono contenute ed elaborate dallo scambio di posizioni, e il risultato è diviso tra i due o più Majorana (non le quasiparticelle stesse), una proprietà topologica che protegge le informazioni dalle perturbazioni ambientali (rumore) che potrebbero interessare i singoli Majorana.

Però, prima di poter eseguire qualsiasi trecciatura, queste quasiparticelle fragili e fugaci devono prima essere generate. In questa collaborazione internazionale, i wafer semiconduttori hanno iniziato il loro viaggio con la modellazione di goccioline d'oro presso la Delft University of Technology. Con le goccioline d'oro che agiscono come semi, I nanofili semiconduttori di antimonide di indio (InSb) sono stati quindi coltivati ​​presso l'Università tecnologica di Eindhoven. Prossimo, i nanofili hanno viaggiato in tutto il mondo fino a Santa Barbara, dove i ricercatori del Palmstrøm Group li hanno accuratamente puliti e parzialmente coperti con un sottile guscio di alluminio superconduttore. I nanofili sono stati restituiti ai Paesi Bassi per misurazioni elettriche a bassa temperatura.

"Si prevedeva che Majorana si verificasse tra un superconduttore e un filo semiconduttore, " ha spiegato Palmstrøm. Alcuni dei fili che si intersecano nel dispositivo a forma di hashtag infinitesimale sono fusi insieme, mentre altri si mancano a malapena, lasciando un vuoto molto preciso. Questo disegno intelligente, secondo i ricercatori, consente ad alcune regioni di un nanofilo di non avere un rivestimento in alluminio, che stabilisce le condizioni ideali per la misurazione di Majoranas.

"Quello che dovresti vedere è uno stato a energia zero, " ha detto Pendharkar. Questo "picco di polarizzazione zero" è coerente con la matematica che si traduce in una particella come antiparticella propria ed è stato osservato per la prima volta nel 2012. "Nel 2012, hanno mostrato un minuscolo blip zero-bias in un mare di sfondo, " ha detto Pendharkar. Con il nuovo approccio, Lui continuò, "ora il mare è scomparso, " che non solo chiarisce il risultato del 2012 e avvicina i ricercatori alla prova definitiva degli stati di Majorana, ma pone anche una base più solida per la produzione di queste quasiparticelle.

Majoranas, per la loro particolare immunità all'errore, può essere utilizzato per costruire un qubit ideale (unità di informazione quantistica) per computer quantistici topologici, e, secondo i ricercatori, può portare a un computer quantistico più praticabile perché la sua tolleranza agli errori richiederà meno qubit per la correzione degli errori.

"Tutti i computer quantistici funzioneranno a temperature molto basse, " Palmstrøm ha detto, "perché 'quantum' è una differenza di energia molto bassa." Così, hanno detto i ricercatori, raffreddare meno qubit tolleranti ai guasti in un circuito quantistico sarebbe più semplice, e fatto in un ingombro ridotto, rispetto al raffreddamento di qubit più soggetti a errori più quelli necessari per proteggere dagli errori.

Il passo finale verso la prova conclusiva di Majoranas sarà nell'intreccio, un esperimento che i ricercatori sperano di condurre nel prossimo futuro. A quello scopo, gli scienziati continuano a costruire su questa base con progetti che possono consentire e misurare il risultato dell'intreccio.

"Abbiamo avuto il finanziamento e l'esperienza di persone esperte nel campo delle misurazioni, ed esperti nel lato teorico delle cose, "Pendharkar ha detto, "ed è stata una grande collaborazione che ci ha portati a questo livello."