I ricercatori dell'Università di Copenhagen e del Microsoft Quantum Lab Copenhagen hanno recentemente condotto uno studio sulle potenzialità dei modi zero di Majorana, stati di quasiparticelle a energia zero che possono essere trovati nei nanofili ibridi superconduttivi, come mezzo per proteggere i dati quantistici. La loro carta, pubblicato in Fisica della natura , delinea l'osservazione delle firme di tunneling fotone-assistite in un nanofilo Majorana, offrendo nuove interessanti informazioni che potrebbero aprire la strada a una migliore comprensione di questi stati di quasiparticelle.

"Il nostro obiettivo a lungo termine è sviluppare un mezzo per proteggere e controllare le informazioni quantistiche per le applicazioni di calcolo quantistico, "Il coautore dell'articolo, il prof. Charles Marcus, ha dichiarato a Phys.org via e-mail. "Una proposta intrigante è quella di utilizzare le modalità zero di Majorana per offrire protezione a livello di fisica, piuttosto che a livello di circuito utilizzando la ridondanza e la correzione degli errori."

A livello fisico, Le modalità Zero Majorana nascondono informazioni specifiche, più precisamente se un elettrone in eccesso è presente o assente non localmente all'interno di un dato superconduttore topologico. Queste informazioni non possono essere rivelate utilizzando strumenti per la raccolta di misurazioni locali.

Teoricamente, utilizzare le modalità zero di Majorana per proteggere i dati quantistici dovrebbe quindi essere piuttosto semplice e diretto. Però, questo si è finora rivelato molto difficile da realizzare, in quanto richiede sforzi notevoli, compreso lo sviluppo di metodi per leggere gli stati a energia zero e la progettazione di materiali ibridi che possano raggiungere questi stati in primo luogo.

"Una serie di primi passi concreti verso la realizzazione di questo concetto sono stati illustrati in un documento teorico che abbiamo scritto nel 2016, ma far funzionare anche i sottocomponenti del nostro sistema proposto è impegnativo, " Marcus ha detto. "Un componente critico è una giunzione superconduttiva topologica in cui i modi Majorana possono essere accoppiati e disaccoppiati utilizzando impulsi elettrici. Il nostro recente esperimento è stato progettato per testare quel particolare componente:il sito in cui è possibile controllare l'accoppiamento dei modi Majorana attraverso una giunzione".

Il tunneling fotonico è una tecnica che può essere utilizzata per "connettere" stati quantistici di energia totale disuguale, utilizzando un fotone con un'energia corrispondente alla differenza. L'energia totale degli stati quantistici in questo esperimento dipende dalla presenza di un elettrone in eccesso a stati discreti di energia zero.

Questo effetto ha infine permesso ai ricercatori di rilevare una differenza nell'occupazione media della carica. Poiché la frequenza del fotone è energia che può essere controllata, potrebbero dedurre la differenza di energia tra gli stati quantistici e alla fine convertirla in una forza di accoppiamento.

"Agli albori dei dispositivi superconduttori e spin qubit, il tunneling fotonico è stato spesso utilizzato come tecnica per mappare la differenza di energia tra gli stati dei qubit, "Davide van Zanten, un altro ricercatore coinvolto nello studio, ha detto a Phys.org. "La differenza di energia minima è definita dall'energia dell'accoppiamento di scambio coerente. Sulla base di questo lavoro precedente, abbiamo iniziato a utilizzare il tunneling fotonico come strumento per identificare e caratterizzare l'accoppiamento coerente tra fermioni di Majorana di coppie diverse".

Il metodo utilizzato dai ricercatori è abbastanza semplice. Si tratta di misurare l'occupazione media di carica di una struttura a doppia isola che ospita i modi zero di Majorana, applicando contemporaneamente un tono a microonde a una struttura quasi metallica accoppiata prevalentemente a una delle isole della struttura.

Perché la loro tecnica funzioni, i ricercatori hanno dovuto sviluppare strutture topologiche a doppia isola superconduttive adeguate e sensori di carica RF SET che potrebbero essere introdotti all'interno di un nanofilo InAs/AI, che a sua volta doveva essere posto su un substrato al quale potevano essere applicate le microonde. Inoltre, hanno dovuto mettere a punto con attenzione tutte le manopole del dispositivo e identificare un intervallo esteso in cui sono state soddisfatte tutte le condizioni necessarie per il tunneling assistito da fotoni dei modi zero di Majorana.

Gli autori hanno lavorato a stretto contatto con un team di ricercatori specializzati in materiali quantistici, guidato da Peter Krogstrup. Questo gruppo di scienziati era responsabile della crescita dei fili utilizzati nell'esperimento.

In definitiva, i materiali e i metodi utilizzati nel loro esperimento hanno permesso ai ricercatori di osservare le firme di tunneling assistite da fotoni in un campo magnetico finito, inducendo la periodicità di gate 1e in entrambe le isole. Ciò nonostante, si dovrebbe essere cauti quando si interpretano i loro risultati, poiché il loro è solo un risultato preliminare.

"L'aspetto più degno di nota del nostro studio risiede nella coerenza interna tra le diverse misurazioni e osservazioni presentate nel documento, insieme ad altri lavori di altri nella nostra stessa comunità di ricerca, " ha detto van Zanten. "Ognuna delle nostre misurazioni indica indipendentemente la presenza di stati discreti a energia zero in entrambe le isole, un'immagine coerente con le modalità zero di Majorana. La coerenza interna suggerisce che la nostra interpretazione è valida, ma prova l'accoppiamento Majorana? No."

Secondo i ricercatori, altri stati fermionici che si verificano a energia zero potrebbero anche essere costruiti in un modo che ricorda i modi zero di Majorana. Per questa ragione, i loro risultati, insieme a quelli simili raccolti da altre squadre in passato, dovrebbero essere considerati come interpretazioni piuttosto che come fatti.

"Quale interpretazione esistente sia più ragionevole è oggetto di dibattito, che è alimentato dalla varietà dei risultati raccolti dai diversi gruppi, "Marcus ha detto. "Quello che abbiamo mostrato è che in alto campo, c'è uno stato discreto nei fili a energia zero (precisamente dove risiederebbe un Majorana) e che sintonizzando una giunzione possiamo accoppiare e disaccoppiare queste modalità a energia zero, misurare la loro forza di accoppiamento."

Il recente studio condotto dal team di Copenaghen fornisce nuove osservazioni che possono essere aggiunte al pool di risultati relativi ai modi zero nei cavi Majorana raccolti da diversi team di ricerca negli ultimi dieci anni circa. Nel futuro, il loro lavoro potrebbe servire come base per nuovi studi che indaghino sul potenziale di questi stati per migliorare la sicurezza della tecnologia quantistica.

"Nei nostri prossimi studi, vorremmo utilizzare sistemi di materiali con cui è più facile lavorare, "Marcus ha detto. "I nanofili che abbiamo usato sono stati un ottimo inizio, ma posizionare i singoli cavi a mano non è un modo per costruire una rete di Majorana. I materiali sono la chiave per progredire in questo campo:nuovi materiali, materiali più puliti, materiali più facili da lavorare."

Oltre a ripetere il loro esperimento utilizzando materiali diversi, i ricercatori hanno in programma di condurre studi che incorporino sistemi multi-giunzione. Infatti, prove di ricerche passate suggeriscono che i sistemi con più giunzioni consentono la creazione di dispositivi più sofisticati e interessanti.

"Vorremmo ora introdurre anche altri occhi nello sviluppo del nostro sistema, che ci consentirebbe di distinguere rapidamente e con sicurezza tra modalità zero che possono nascondere le informazioni quantistiche e quelle che non possono, " Hanno detto Marcus e van Zanten. "L'intreccio delle modalità zero di Majorana è una dimostrazione chiave che i nostri stati a energia zero possiedono la proprietà chiave necessaria per la protezione delle informazioni, ma quella misura non è stata fatta. Il nostro presente esperimento introduce la teoria di base, ma ora gli scienziati dei materiali e gli sperimentatori dovranno metterlo alla prova".

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