Pesquisadores revolucionam computação quântica com um toque magnético

Traduzido e adaptado por Mateus Lynniker de Phys.Org

A computação quântica pode revolucionar nosso mundo. Para tarefas específicas e cruciais, ele promete ser exponencialmente mais rápido do que a tecnologia binária zero ou um subjacente às máquinas de hoje, desde supercomputadores em laboratórios até smartphones em nossos bolsos. Mas o desenvolvimento de computadores quânticos depende da construção de uma rede estável de qubits – ou bits quânticos – para armazenar informações, acessá-las e realizar cálculos.

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No entanto, as plataformas qubit reveladas até agora têm um problema comum: elas tendem a ser delicadas e vulneráveis ​​a distúrbios externos. Mesmo um fóton perdido pode causar problemas. Desenvolver qubits tolerantes a falhas – que seriam imunes a perturbações externas – poderia ser a solução definitiva para esse desafio.

Uma equipe liderada por cientistas e engenheiros da Universidade de Washington anunciou um avanço significativo nessa busca. Em um par de artigos publicados em 14 de junho na Nature e em 22 de junho na Science , os pesquisadores relatam que em experimentos com flocos de materiais semicondutores – cada um com apenas uma única camada de átomos de espessura – eles detectaram assinaturas de “Hall anômalo quântico fracionário” (FQAH). estados.

As descobertas da equipe marcam um primeiro e promissor passo na construção de um tipo de qubit tolerante a falhas, porque os estados FQAH podem hospedar qualquer um – estranhas “quasipartículas” que possuem apenas uma fração da carga de um elétron. Alguns tipos de anyons podem ser usados ​​para criar os chamados qubits “topologicamente protegidos”, que são estáveis ​​contra quaisquer pequenas perturbações locais.

“Isso realmente estabelece um novo paradigma para o estudo da física quântica com excitações fracionárias no futuro”, disse Xiaodong Xu, o principal pesquisador por trás dessas descobertas, que também é o Boeing Distinguished Professor of Physics e professor de ciência e engenharia de materiais na UW.

Os estados FQAH estão relacionados ao estado Hall quântico fracionário, uma fase exótica da matéria que existe em sistemas bidimensionais. Nesses estados, a condutividade elétrica é restrita a frações precisas de uma constante conhecida como quantum de condutância. Mas os sistemas Hall quânticos fracionários normalmente requerem campos magnéticos maciços para mantê-los estáveis, tornando-os impraticáveis ​​para aplicações em computação quântica . O estado FQAH não tem esse requisito – é estável mesmo “com campo magnético zero”, de acordo com a equipe.

Hospedar uma fase tão exótica da matéria exigiu que os pesquisadores construíssem uma rede artificial com propriedades exóticas. Eles empilharam dois flocos atomicamente finos do material semicondutor ditelureto de molibdênio (MoTe ₂ ) em pequenos ângulos mútuos de “torção” em relação um ao outro. Essa configuração formou uma “rede de favo de mel” sintética para elétrons.

Quando os pesquisadores resfriaram as fatias empilhadas a alguns graus acima do zero absoluto, um magnetismo intrínseco surgiu no sistema. O magnetismo intrínseco toma o lugar do forte campo magnético normalmente necessário para o estado Hall quântico fracionário. Usando lasers como sondas, os pesquisadores detectaram assinaturas do efeito FQAH, um grande passo para desbloquear o poder de qualquer pessoa para a computação quântica.

A equipe – que também inclui cientistas da Universidade de Hong Kong, do Instituto Nacional de Ciência de Materiais no Japão, do Boston College e do Instituto de Tecnologia de Massachusetts – vê seu sistema como uma plataforma poderosa para desenvolver uma compreensão mais profunda de qualquer pessoa, que tem muito propriedades diferentes das partículas comuns, como elétrons.

Anyons são quasipartículas – ou “excitações” semelhantes a partículas – que podem atuar como frações de um elétron. Em trabalhos futuros com seu sistema experimental, os pesquisadores esperam descobrir uma versão ainda mais exótica desse tipo de quasipartícula: anyons “não abelianos”, que poderiam ser usados ​​como qubits topológicos. Envolver – ou “trançar” – os anyons não-abelianos um ao outro pode gerar um estado quântico emaranhado. Nesse estado quântico, a informação é essencialmente “espalhada” por todo o sistema e resistente a distúrbios locais – formando a base dos qubits topológicos e um grande avanço sobre as capacidades dos computadores quânticos atuais.

“Esse tipo de qubit topológico seria fundamentalmente diferente daqueles que podem ser criados agora”, disse o estudante de doutorado em física da UW Eric Anderson, principal autor do artigo da Science e coautor principal do artigo da Nature. “O comportamento estranho de qualquer pessoa não abeliana os tornaria muito mais robustos como uma plataforma de computação quântica”.

Três propriedades principais, todas as quais existiam simultaneamente na configuração experimental dos pesquisadores, permitiram o surgimento de estados FQAH:

• Magnetismo: embora o MoTe ₂ não seja um material magnético, quando eles carregaram o sistema com cargas positivas, surgiu uma “ordem de rotação espontânea” – uma forma de magnetismo chamada ferromagnetismo.
• Topologia: As cargas elétricas dentro de seu sistema têm “faixas torcidas”, semelhantes a uma faixa de Möbius, o que ajuda a tornar o sistema topológico.
• Interações: As cargas dentro de seu sistema experimental interagem fortemente o suficiente para estabilizar o estado FQAH.

A equipe espera que qualquer pessoa não abeliana aguarde a descoberta por meio dessa nova abordagem.

“As assinaturas observadas do efeito Hall anômalo quântico fracionário são inspiradoras”, disse o estudante de doutorado em física da UW Jiaqi Cai, coautor principal do artigo da Nature e coautor do artigo da Science. “Os estados quânticos frutíferos no sistema podem ser um laboratório em um chip para descobrir novas físicas em duas dimensões e também novos dispositivos para aplicações quânticas”.

“Nosso trabalho fornece evidências claras dos estados FQAH há muito procurados”, disse Xu, que também é membro do Instituto de Ciências e Engenharia Molecular, do Instituto de Sistemas Nano-Engenheirados e do Instituto de Energia Limpa, todos da UW. “Atualmente, estamos trabalhando em medições de transporte elétrico, que podem fornecer evidências diretas e inequívocas de excitações fracionais em campo magnético zero”.

A equipe acredita que, com sua abordagem, investigar e manipular esses estados FQAH incomuns pode se tornar comum, acelerando a jornada da computação quântica.