Qubit, le unità utilizzate per codificare le informazioni nell'informatica quantistica, non sono tutti uguali. Alcuni ricercatori ritengono che i qubit topologici, che sono più resistenti e meno sensibili al rumore ambientale rispetto ad altri tipi, potrebbe essere il mezzo migliore per far progredire l'informatica quantistica.

La fisica quantistica si occupa di come le particelle fondamentali interagiscono e talvolta si uniscono per formare nuove particelle chiamate quasiparticelle. Le quasiparticelle appaiono in fantasiosi modelli teorici, ma osservarli e misurarli sperimentalmente è stata una sfida. Con la creazione di un nuovo dispositivo che consente ai ricercatori di sondare l'interferenza delle quasiparticelle, potremmo essere un passo da gigante più vicino. I risultati sono stati pubblicati lunedì in Fisica della natura .

"Siamo in grado di sondare queste particelle facendole interferire, " ha detto Michele Manfra, il Bill and Dee O'Brian Chair Professor di Fisica e Astronomia alla Purdue University. "Le persone hanno cercato di farlo per molto tempo, ma ci sono state grandi sfide tecniche".

Per studiare particelle così piccole, Il gruppo di Manfra costruisce piccoli, minuscoli dispositivi che utilizzano una tecnica di crescita dei cristalli che costruisce strato atomico per strato atomico, chiamata epitassia a fascio molecolare. I dispositivi sono così piccoli che confinano gli elettroni in due dimensioni. Come una biglia che rotola su un tavolo, non possono salire o scendere.

Se il dispositivo, o "da tavolo, " è abbastanza pulito e liscio, ciò che domina la fisica dell'esperimento non sono le azioni individuali degli elettroni, ma come interagiscono tra loro. Per minimizzare l'energia individuale delle particelle, Il team di Manfra li ha raffreddati a temperature estremamente basse, circa -460 gradi Fahrenheit. Inoltre, gli elettroni sono stati sottoposti a un grande campo magnetico. In queste tre condizioni:temperature estremamente rigide, limitato a due dimensioni, ed esposto a un campo magnetico, inizia ad accadere una fisica davvero strana. I fisici chiamano questo il regime della sala quantistica frazionaria.

"In queste condizioni esotiche, gli elettroni possono organizzarsi in modo che l'oggetto di base sembri trasportare un terzo di una carica di elettroni, " disse Manfra, che è anche professore di ingegneria dei materiali, e ingegneria elettrica e informatica. "Pensiamo alle particelle elementari come bosoni o fermioni, a seconda dello spin della particella, ma le nostre quasiparticelle hanno un comportamento molto più complesso mentre si evolvono l'una intorno all'altra. Determinare la carica e le proprietà statistiche di questi stati è una sfida di vecchia data nella fisica quantistica".

Per far interferire le particelle, Il gruppo di Manfra ha costruito un interferometro:un dispositivo che unisce due o più sorgenti di quasiparticelle per creare uno schema di interferenza. Se hai gettato due sassi in uno stagno, e le loro onde si intersecarono ad un certo punto, è qui che genererebbero interferenze e gli schemi cambierebbero.

Ma replicare questi effetti su scala molto più piccola è estremamente difficile. In uno spazio così angusto, gli elettroni tendono a respingersi, quindi costa energia aggiuntiva per inserire un altro elettrone nello spazio. Questo tende a rovinare gli effetti di interferenza in modo che i ricercatori non possano vederli chiaramente.

L'interferometro Purdue supera questa sfida aggiungendo piastre metalliche a soli 25 nanometri di distanza dalle quasiparticelle interferenti. Le piastre metalliche schermano le interazioni repulsive, riducendo i costi energetici e consentendo il verificarsi di interferenze.

Il nuovo dispositivo ha pareti identiche su ogni lato e cancelli metallici, un po' come un flipper. Ma a differenza di un flipper, che si disperde caoticamente, gli elettroni in questo dispositivo seguono uno schema molto rigoroso.

"La magia dell'effetto sala quantistica è che tutta la corrente viaggerà sul bordo del campione, non attraverso il mezzo, "ha detto James Nakamura, dottorato di ricerca candidato alla Purdue e autore principale dell'articolo. "Quando le quasiparticelle vengono incanalate attraverso il divisore di fascio, sono divisi a metà, in senso quantomeccanico. Succede due volte, a due divisori di raggio, e l'interferenza si verifica tra i due diversi percorsi."

In un regno così bizzarro della fisica, può essere difficile per i ricercatori sapere se ciò che pensano di vedere è ciò che vedono effettivamente. Ma questi risultati mostrano che, potenzialmente per la prima volta, i ricercatori hanno assistito all'interferenza della meccanica quantistica delle quasiparticelle.

Questo meccanismo potrebbe anche aiutare nello sviluppo di qubit topologici in futuro.

"Per quanto ne sappiamo, questa è l'unica piattaforma praticabile per provare a fare esperimenti più complessi che possono, negli stati più complicati, essere la base di un qubit topologico, " Disse Manfra. "E' da un po' che cerchiamo di costruirli, con l'obiettivo finale di convalidare alcune di queste proprietà molto strane. Non siamo ancora del tutto lì, ma abbiamo dimostrato che questa è la strada migliore".