I fisici della Rice University dedicati alla creazione dei componenti funzionanti di un computer quantistico tollerante ai guasti sono riusciti a creare uno stato della materia mai visto prima.

L'"isolante eccitonico topologico" è stato osservato nei test alla Rice da un team internazionale di Stati Uniti e Cina. I ricercatori riportano i loro risultati questa settimana sulla rivista Comunicazioni sulla natura . Il loro dispositivo potrebbe essere potenzialmente utilizzato in un computer quantistico topologico, un tipo di computer quantistico che memorizza le informazioni in particelle quantistiche "intrecciate" come nodi che non si spezzano facilmente. Questi stabili, bit quantici "topologico" intrecciati, o qubit topologici, potrebbe superare uno dei limiti principali dell'informatica quantistica oggi:i qubit che non sono topologici si "decodiscono" facilmente e perdono le informazioni che stanno memorizzando.

I computer convenzionali utilizzano dati binari, informazioni memorizzate come uno o zero. Grazie alle stranezze della meccanica quantistica, i qubit possono rappresentare entrambi, zeri e un terzo stato che è sia uno che zero allo stesso tempo.

Questo terzo stato può essere utilizzato per accelerare il calcolo, tanto che un computer quantistico con poche dozzine di qubit potrebbe completare alcuni calcoli con la stessa rapidità di un microchip con un miliardo di transistor binari.

Nel nuovo studio, Il fisico del riso Rui-Rui Du e l'ex studente laureato di Rice Lingjie Du (nessuna relazione) hanno collaborato con i ricercatori di Rice, L'Università di Pechino e l'Accademia cinese delle scienze per creare isolanti eccitonici fatti di minuscole scaglie di ultrapuro, semiconduttori impilati. I dispositivi, che non superano i 100 micron di larghezza, contengono un foglio di arseniuro di indio sopra un foglio di antimonio di gallio. Quando raffreddato in un bagno di elio liquido a una temperatura criticamente bassa di circa 10 kelvin, un liquido quantistico superfluido si forma all'interno dei dispositivi e l'elettricità cessa di attraversarli.

"Questo è molto simile al processo in un superconduttore, dove hai elettroni che sono attratti l'uno dall'altro per formare coppie che scorrono senza resistenza, " disse Rui-Rui Du, professore di fisica e astronomia alla Rice e ricercatore presso il Rice Center for Quantum Materials (RCQM). "Nel nostro caso, gli elettroni si accoppiano con "buchi elettronici" carichi positivamente per creare un superfluido con una carica netta pari a zero".

Lingjie Du, ora ricercatore post-dottorato alla Columbia University, disse, "È un effetto collettivo, quindi per un osservatore esterno il sistema conduce l'elettricità normalmente finché non si raffredda alla temperatura critica, dove cambia improvvisamente fase per diventare un perfetto isolante."

Per dimostrare che il dispositivo era il tanto cercato isolante eccitonico, il team ha dovuto prima dimostrare che il fluido era un condensato quantico. Quel compito è toccato a Xinwei Li, uno studente laureato nel laboratorio del ricercatore RCQM Junichiro Kono. Li e Kono, professore di ingegneria elettrica e informatica alla Rice, hanno fatto brillare onde terahertz attraverso i dispositivi mentre venivano raffreddati alla temperatura critica e hanno scoperto che i campioni hanno assorbito energia terahertz in due bande distinte, una firma di condensazione quantistica.

Mostrare il dispositivo è stato un test topologico coinvolto per la conduzione elettrica in una banda unidimensionale attorno al loro perimetro.

"Questa nuova proprietà dello stato limite è la cosa a cui le persone sono molto interessate, " Rui-Rui Du ha detto. "Questo stato limite non ha resistenza elettrica, e si ottiene la conduzione in cui gli elettroni sono legati al loro momento di spin. Se hanno un tipo di rotazione, vanno in senso orario e se hanno l'altro vanno in senso antiorario."

I circuiti intrecciati costruiti su questi flussi di elettroni opposti avrebbero firme topologiche intrinseche che potrebbero essere utilizzate per formare qubit tolleranti ai guasti.

"L'altra bellezza di questo è che gli stessi principi si applicano ancora a temperatura ambiente, " Rui-Rui Du ha detto. "Esistono materiali stratificati atomicamente come il disolfuro di tungsteno che potrebbero essere potenzialmente utilizzati per creare questo stesso effetto a temperatura ambiente, purché possano essere realizzati in una forma sufficientemente pura."