La representación de este artista muestra la división de electrones, en la que las cargas que interactúan fuertemente pueden «dividirse» en tres partes, en la fase de Hall anómala cuántica fraccional. Crédito: Eric Anderson/Universidad de Washington
Un equipo dirigido por la Universidad de Washington ha logrado un gran avance en la computación cuántica al detectar estados de Hall anómalos cuánticos fraccionarios en escamas de material semiconductor, lo que podría ser fundamental para crear qubits estables y tolerantes a fallas.
La computación cuántica podría revolucionar nuestro mundo. Para tareas cruciales y específicas, promete ser exponencialmente más rápido que la tecnología binaria cero o uno que subyace en las máquinas actuales, desde las supercomputadoras en los laboratorios hasta los teléfonos inteligentes en nuestros bolsillos. Pero el desarrollo de las computadoras cuánticas depende de la construcción de una red estable de qubits, o bits cuánticos, para almacenar información, acceder a ella y realizar cálculos.
Sin embargo, las plataformas qubit reveladas hasta ahora tienen un problema común: tienden a ser delicadas y vulnerables a perturbaciones externas. Incluso un fotón perdido puede causar problemas. El desarrollo de qubits tolerantes a fallas, que serían inmunes a las perturbaciones externas, podría ser la solución definitiva a este desafío.
Un equipo dirigido por científicos e ingenieros de la Universidad de Washington anunció un avance significativo en esta búsqueda. En un par de artículos publicados el 14 de junio en Nature y el 22 de junio en Science, informan que en experimentos con escamas de materiales semiconductores, cada una de una sola capa de átomos de espesor, detectaron firmas de estados «cuánticos fraccionados anómalos de Hall» (FQAH). . Los hallazgos del equipo marcan un primer paso prometedor en la construcción de un tipo de qubit tolerante a fallas, porque los estados FQAH pueden albergar a cualquiera: extrañas «cuasipartículas» que tienen solo una fracción de la carga de un electrón. Algunos tipos de anyons se pueden usar para crear los llamados qubits «protegidos topológicamente», que son estables frente a cualquier pequeña perturbación local.
«Esto realmente establece un nuevo paradigma para el estudio de la física cuántica con excitaciones fraccionarias en el futuro», dijo Xiaodong Xu, el investigador principal detrás de estos descubrimientos, quien también es Profesor Distinguido de Física de Boeing y profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la UW. .
Los estados FQAH están relacionados con el estado Hall cuántico fraccional, una fase exótica de la materia que existe en sistemas bidimensionales. En estos estados, la conductividad eléctrica está restringida a fracciones precisas de una constante conocida como cuanto de conductancia. Pero los sistemas de Hall cuánticos fraccionarios generalmente requieren campos magnéticos masivos para mantenerlos estables, lo que los hace poco prácticos para las aplicaciones de computación cuántica. El estado FQAH no tiene tal requisito: es estable incluso «con cero campo magnético», según el equipo.
Alojar una fase tan exótica de la materia requirió que los investigadores construyeran una red artificial con propiedades exóticas. Apilaron dos escamas atómicamente delgadas del material semiconductor ditellururo de molibdeno (MoTe2) en pequeños ángulos de «torsión» mutuos entre sí. Esta configuración formó una «red de panal» sintética para los electrones. Cuando los investigadores enfriaron las rebanadas apiladas a unos pocos grados por encima del cero absoluto, surgió un magnetismo intrínseco en el sistema. El magnetismo intrínseco toma el lugar del fuerte campo magnético normalmente requerido para el estado Hall cuántico fraccional. Usando láseres como sondas, los investigadores detectaron firmas del efecto FQAH, un gran paso para desbloquear el poder de cualquiera para la computación cuántica.
El equipo, que también incluye a científicos de la Universidad de Hong Kong, el Instituto Nacional de Ciencias de los Materiales de Japón, el Boston College y el Instituto de Tecnología de Massachusetts, ve su sistema como una plataforma poderosa para desarrollar una comprensión más profunda de cualquier persona. propiedades muy diferentes de las partículas ordinarias como los electrones. Los anyones son cuasipartículas, o «excitaciones» similares a partículas, que pueden actuar como fracciones de un electrón. En futuros trabajos con su sistema experimental, los investigadores esperan descubrir una versión aún más exótica de este tipo de cuasipartículas: anyons «no abelianos», que podrían usarse como qubits topológicos. Envolviendo, o «retorciendo», anyons no abelianos entre sí En este estado cuántico, la información se «esparce» esencialmente por todo el sistema y es resistente a las perturbaciones locales, formando la base de los qubits topológicos y un gran avance en las capacidades de las computadoras. cuanto actual.
«Este tipo de qubit topológico sería fundamentalmente diferente de los que se pueden crear ahora», dijo Eric Anderson, estudiante de doctorado en física de la UW, autor principal del artículo de Science y coautor principal del artículo de Nature. «El comportamiento extraño de cualquier persona no abeliana los haría mucho más robustos como plataforma de computación cuántica».
Tres propiedades principales, todas las cuales existieron simultáneamente en la configuración experimental de los investigadores, permitieron la aparición de estados FQAH:
- Magnetismo: aunque MoTe2 no es un material magnético, cuando cargaron el sistema con cargas positivas, surgió un «orden de rotación espontáneo», una forma de magnetismo llamada ferromagnetismo.
- Topología: Las cargas eléctricas dentro de su sistema tienen “bandas torcidas”, similares a una banda de Möbius, lo que ayuda a que el sistema sea topológico.
- Interacciones: las cargas dentro de su sistema experimental interactúan lo suficientemente fuerte como para estabilizar el estado FQAH.
El equipo espera que, utilizando su enfoque, cualquier persona no abeliana esperará a que la descubran.
«Las firmas observadas del efecto Hall anómalo cuántico fraccional son impresionantes», dijo Jiaqi Cai, estudiante de doctorado en física de la UW, coautor principal del artículo de Nature y coautor del artículo de Science. «Los estados cuánticos fructíferos en el sistema podrían ser un laboratorio en un chip para descubrir nueva física en dos dimensiones y también nuevos dispositivos para aplicaciones cuánticas».
«Nuestro trabajo proporciona evidencia clara de los estados FQAH largamente buscados», dijo Xu, quien también es miembro del Instituto de Ciencias Moleculares e Ingeniería, el Instituto de Sistemas de Nanoingeniería y el Instituto de Energía Limpia, todos en la UW. «Actualmente, estamos trabajando en mediciones de transporte eléctrico, que pueden proporcionar evidencia directa e inequívoca de excitaciones fraccionarias con un campo magnético cero».
El equipo cree que, con su enfoque, investigar y manipular estos estados FQAH inusuales podría convertirse en algo común, acelerando el viaje de la computación cuántica.
Referencias:
“Programación de estados magnéticos correlacionados con geometría moiré controlada por puerta” por Eric Anderson, Feng-Ren Fan, Jiaqi Cai, William Holtzmann, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Di Xiao, Wang Yao y Xiaodong Xu, 22 de junio de 2023, Science .
DOI: 10.1126/ciencia.adg4268
“Firmas de estados anómalos cuánticos fraccionarios en Twisted MoTe2” por Jiaqi Cai, Eric Anderson, Chong Wang, Xiaowei Zhang, Xiaoyu Liu, William Holtzmann, Yinong Zhang, Fengren Fan, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Ying Ran, Ting Cao, Liang Fu , Di Xiao, Wang Yao y Xiaodong Xu, 14 de junio de 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-06289-w
Otros coautores de los artículos son William Holtzmann y Yinong Zhang del Departamento de Física de la Universidad de Washington; Di Xiao, Chong Wang, Xiaowei Zhang, Xiaoyu Liu y Ting Cao en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Washington; Feng-Ren Fan y Wang Yao de la Universidad de Hong Kong y el Instituto Conjunto de Física Teórica y Computacional de Hong Kong; Takashi Taniguchi y Kenji Watanabe del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón; Ying Ran de la Universidad de Boston; y Liang Fu en el MIT. La investigación fue financiada por el Departamento de Energía de EE. UU., la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, la Fundación Nacional de Ciencias, el Consejo de Subvenciones de Investigación de Hong Kong, la Fundación Croucher, la Fundación Tencent, la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia y por la Universidad de Washington.
Números de concesión:
- Departamento de Energía de EE. UU.: DE-SC0018171, DE-SC0019443, DE-SC0012509
- Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea: FA9550-19-1-0390, FA9550-21-1-0177
- Fundación Nacional de Ciencias: DMR-1719797, DGE-2140004
- Junta de becas de investigación de Hong Kong: AoE/P-701/20, HKU SRFS2122-7S05
- Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia: 19:05790, 20:00354, 21:05233
