Investigadores de la Universidad de Pensilvania, en colaboración con la Universidad Johns Hopkins y el Colegio Goucher, han descubierto un nuevo material topológico que puede permitir la computación cuántica tolerante a fallas. Es una forma de computación que aprovecha el poder de los átomos y los fenómenos subatómicos.realizar cálculos significativamente más rápidos que las computadoras actuales y podría conducir a avances en el desarrollo de fármacos y otros sistemas complejos.
La investigación, publicada en ACS Nano , fue dirigido por Jerome Mlack, un investigador postdoctoral en el Departamento de Física y Astronomía en la Escuela de Artes y Ciencias de Penn, y sus mentoras Nina Markovic, ahora profesora asociada en Goucher, y Marija Drndic, Fay R. y Eugene LProfesor Langberg de Física en Penn. Estudiantes graduados de Penn Gopinath Danda y Sarah Friedensen, quienes recibieron una beca NSF para este trabajo, y la Profesora Asociada de Investigación Johns Hopkins Natalia Drichko y postdoc Atikur Rahman, ahora profesora asistente en el Instituto Indio de Educación en Cienciase Research, Pune, también contribuyeron al estudio.
La investigación comenzó mientras Mlack era candidato a doctorado en Johns Hopkins. Él y otros investigadores estaban trabajando en el cultivo y la fabricación de dispositivos con aisladores topológicos, un tipo de material que no conduce corriente a través de la mayor parte del materialpero puede transportar corriente a lo largo de su superficie.
Mientras los investigadores trabajaban con estos materiales, uno de sus dispositivos explotó, similar a lo que sucedería con un cortocircuito.
"Se derritió un poco", dijo Mlack, "y lo que encontramos es que, si medimos la resistencia de esta región derretida de uno de estos dispositivos, se vuelve superconductora. Luego, cuando volvimos y miramosante lo que sucedió con el material e intentamos averiguar qué elementos había allí, solo vimos seleniuro de bismuto y paladio ".
Cuando los materiales superconductores se enfrían, pueden transportar una corriente con resistencia eléctrica cero sin perder energía.
Se ha predicho que los aisladores topológicos con propiedades superconductoras tienen un gran potencial para crear una computadora cuántica tolerante a fallas. Sin embargo, es difícil hacer un buen contacto eléctrico entre el aislador topológico y el superconductor y escalar dichos dispositivos para la fabricación, utilizando las técnicas actualesSi este nuevo material pudiera recrearse, podría superar ambas dificultades.
En computación estándar, la unidad de datos más pequeña que conforma la computadora y almacena información, el dígito binario o bit, puede tener un valor de 0, para apagado o 1 para encendido. La computación cuántica aprovecha unafenómeno llamado superposición, lo que significa que los bits, en este caso llamados qubits, pueden ser 0 y 1 al mismo tiempo.
Una forma famosa de ilustrar este fenómeno es un experimento mental llamado gato de Schrodinger. En este experimento mental, hay un gato en una caja, pero uno no sabe si el gato está vivo o muerto hasta que se abre la caja. Antesla caja se abre, el gato puede considerarse vivo y muerto, existiendo en dos estados a la vez, pero, inmediatamente después de abrir la caja, el estado del gato, o en el caso de qubits, la configuración del sistema, se colapsa en uno:cat está vivo o muerto y el qubit es 0 o 1.
"La idea es codificar la información usando estos estados cuánticos", dijo Markovic, "pero para poder usarla debe codificarse y existir el tiempo suficiente para que pueda leerla".
Uno de los principales problemas en el campo de la computación cuántica es que los qubits no son muy estables y es muy fácil destruir los estados cuánticos. Estos materiales topológicos proporcionan una forma de hacer que estos estados vivan lo suficiente como para leerlos yhacer algo con ellos, dijo Markovic.
"Es como si la caja del gato de Schrodinger estuviera en la parte superior de un asta de la bandera y el viento más leve pudiera derribarla", dijo Mlack. "La idea es que estos materiales topológicos al menos amplíen el diámetro delasta de bandera, de modo que la caja se asienta en más de una columna que en una asta de bandera. Eventualmente, puede quitarlo, pero de lo contrario es muy difícil romper la caja y descubrir qué le sucedió al gato ".
Aunque su descubrimiento inicial de este material fue un accidente, pudieron idear un proceso para recrearlo de manera controlada.
Markovic, quien era el asesor de Mlack en Johns Hopkins en ese momento, sugirió que, para recrearlo sin tener que hacer explotar continuamente los dispositivos, podrían recocerlo térmicamente, un proceso en el que lo colocan en un horno y lo calientana cierta temperatura.
Utilizando este método, los investigadores escribieron, "el metal ingresa directamente a la nanoestructura, lo que proporciona un buen contacto eléctrico y se puede modelar fácilmente en la nanoestructura mediante la litografía estándar, lo que permite una fácil escalabilidad de los circuitos superconductores personalizados en un aislador topológico".
Aunque los investigadores ya tienen la capacidad de hacer un material topológico superconductor, hay un gran problema en el hecho de que, cuando juntan dos materiales, hay una grieta en el medio, lo que disminuye el contacto eléctrico. Esto arruina las mediciones que puedenhacer así como los fenómenos físicos que podrían conducir a la creación de dispositivos que permitan la computación cuántica.
Al modelarlo directamente en el cristal, el superconductor está incrustado y no hay ninguno de estos problemas de contacto. La resistencia es muy baja y pueden modelar dispositivos para la computación cuántica en un solo cristal.
Para probar las propiedades superconductoras del material, lo pusieron en dos refrigeradores extremadamente fríos, uno de los cuales se enfría a casi cero absoluto. También barrieron un campo magnético que mataría la superconductividad y la naturaleza topológica del material,para averiguar las limitaciones del material. También realizaron mediciones eléctricas estándar, pasando una corriente y observando el voltaje que se crea.
"Creo que lo que también es bueno en este documento es la combinación del rendimiento del transporte eléctrico y las ideas directas de la caracterización real de los materiales del dispositivo", dijo Drndic. "Tenemos buenas ideas sobre la composición de estos dispositivos para respaldar todos estosafirma porque hicimos un análisis elemental para comprender cómo se unen estos dos materiales "
Uno de los beneficios del dispositivo de los investigadores es que es potencialmente escalable, capaz de adaptarse a un chip similar a los que se encuentran actualmente en nuestras computadoras.
"En este momento, los principales avances en la computación cuántica involucran métodos de litografía muy complicados", dijo Drndic. "La gente lo está haciendo con nanocables que están conectados a estos circuitos. Si tienes nanocables que son muy, muy pequeños y luego tienesponerlos en lugares particulares es muy difícil. La mayoría de las personas que están a la vanguardia de esta investigación tienen instalaciones multimillonarias y mucha gente detrás de ellas. Pero esto, en principio, podemos hacerlo en un laboratorio. Permitepara hacer estos dispositivos de una manera simple. Simplemente puede ir y escribir su dispositivo de la manera que desee ".
Según Mlack, aunque todavía hay una buena cantidad de limitaciones, hay un campo completo que ha surgido dedicado a encontrar formas nuevas e interesantes para tratar de aprovechar estos estados cuánticos e información cuántica. Si tiene éxito, cuánticala informática permitirá una serie de cosas.
"Permitirá un descifrado y cifrado de información mucho más rápido", dijo, "por eso algunos de los grandes contratistas de defensa de la NSA, así como empresas como Microsoft, están interesados en ello. También nos permitirámodelar sistemas cuánticos en un período de tiempo razonable y es capaz de hacer ciertos cálculos y simulaciones más rápido de lo que normalmente se podría hacer "
Markovic dijo que es particularmente bueno para problemas completamente diferentes, como los que requieren cálculos paralelos masivos. Si necesita hacer muchas cosas a la vez, la computación cuántica acelera enormemente las cosas.
"Hay problemas en este momento que tomarían la edad del universo para computar", dijo.
"Con la computación cuántica, podría hacerlo en minutos". Esto también podría conducir a avances en el desarrollo de fármacos y otros sistemas complejos, así como habilitar nuevas tecnologías.
Los investigadores esperan comenzar a construir algunos dispositivos más avanzados que estén orientados a construir un qubit de los sistemas que tienen, así como a probar diferentes metales para ver si pueden cambiar las propiedades del material.
"Realmente es una nueva forma potencial de fabricar estos dispositivos que nadie ha hecho antes", dijo Mlack. "En general, cuando las personas fabrican algunos de estos materiales combinando este material topológico y superconductividad, es un cristal a granel,así que realmente no controlas dónde está todo. Aquí podemos personalizar el patrón que estamos haciendo en el material en sí. Esa es la parte más emocionante, especialmente cuando comenzamos a hablar de agregar diferentes tipos de metales que le dan diferentescaracterísticas, ya sean materiales ferromagnéticos o elementos que podrían hacerlo más aislante. Todavía tenemos que ver si funciona, pero existe la posibilidad de crear estos interesantes circuitos personalizados directamente en el material ".
Este trabajo fue apoyado por la National Science Foundation a través de las subvenciones DGE-1232825, DMR-1507782 y EFRI 2-DARE 1542707.
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Materiales proporcionado por Universidad de Pennsylvania . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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