Los qubits, las unidades utilizadas para codificar información en la computación cuántica, no son todas iguales. Algunos investigadores creen que los qubits topológicos, que son más resistentes y menos susceptibles al ruido ambiental que otros tipos, pueden ser el mejor medio para impulsar la computación cuántica..
La física cuántica se ocupa de cómo las partículas fundamentales interactúan y, a veces, se unen para formar nuevas partículas llamadas cuasipartículas. Las cuasipartículas aparecen en modelos teóricos sofisticados, pero observarlas y medirlas experimentalmente ha sido un desafío. Con la creación de un nuevo dispositivo que permite a los investigadoressondear la interferencia de las cuasipartículas, es posible que estemos un gran paso más cerca. Los hallazgos se publicaron el lunes en Física de la naturaleza .
"Podemos sondear estas partículas haciéndolas interferir", dijo Michael Manfra, profesor titular de Física y Astronomía de Bill y Dee O'Brian en la Universidad de Purdue. "La gente ha estado intentando hacer esto durante mucho tiempo., pero ha habido importantes desafíos técnicos ".
Para estudiar partículas tan pequeñas, el grupo de Manfra construye diminutos dispositivos usando una técnica de crecimiento de cristales que construye capa atómica por capa atómica, llamada epitaxia de haz molecular. Los dispositivos son tan pequeños que confinan los electrones a dos dimensiones. Como una canica rodandoalrededor de una mesa, no pueden moverse hacia arriba o hacia abajo.
Si el dispositivo, o "mesa", es lo suficientemente limpio y suave, lo que domina la física del experimento no son las acciones individuales de los electrones, sino cómo interactúan entre sí. Para minimizar la energía individual de las partículas, el equipo de Manfra enfrióbajarlos a temperaturas extremadamente bajas, alrededor de -460 grados Fahrenheit. Además, los electrones fueron sometidos a un gran campo magnético. Bajo estas tres condiciones: temperaturas extremadamente frías, confinadas a dos dimensiones y expuestas a un campo magnético, una física realmente extrañacomienza a suceder. Los físicos llaman a esto el régimen de sala cuántica fraccional.
"En estas condiciones exóticas, los electrones pueden organizarse de manera que el objeto básico parezca que lleva un tercio de la carga de un electrón", dijo Manfra, quien también es profesor de ingeniería de materiales e ingeniería eléctrica e informática.Piense en las partículas elementales como bosones o fermiones, dependiendo del giro de la partícula, pero nuestras cuasipartículas tienen un comportamiento mucho más complejo a medida que evolucionan entre sí. Determinar la carga y las propiedades estadísticas de estos estados es un desafío de larga data enfísica cuántica."
Para hacer que las partículas interfieran, el grupo de Manfra construyó un interferómetro: un dispositivo que fusiona dos o más fuentes de cuasipartículas para crear un patrón de interferencia. Si arrojas dos piedras a un estanque y sus ondas se cruzan en algún punto, aquí es dondegenerarían interferencias y los patrones cambiarían.
Pero replicar estos efectos en una escala mucho más pequeña es extremadamente difícil. En un espacio tan estrecho, los electrones tienden a repelerse entre sí, por lo que cuesta energía adicional colocar otro electrón en el espacio. Esto tiende a estropear los efectos de interferencia, por lo quelos investigadores no pueden verlos con claridad.
El interferómetro Purdue supera este desafío agregando placas metálicas a solo 25 nanómetros de distancia de las cuasipartículas interferentes. Las placas metálicas filtran las interacciones repulsivas, reduciendo el costo de energía y permitiendo que ocurra la interferencia.
El nuevo dispositivo tiene paredes idénticas en cada lado y puertas de metal, algo así como una máquina de pinball. Pero a diferencia de un pinball, que se dispersa caóticamente, los electrones en este dispositivo siguen un patrón muy estricto.
"La magia del efecto de pasillo cuántico es que toda la corriente viajará por el borde de la muestra, no por el medio", dijo James Nakamura, candidato a doctorado en Purdue y autor principal del artículo ".Cuando se tunelizan cuasipartículas a través del divisor de haz, se dividen por la mitad, en un sentido mecánico cuántico. Eso sucede dos veces, en dos divisores de haz, y se produce interferencia entre los dos caminos diferentes ".
En un ámbito tan extraño de la física, puede ser difícil para los investigadores saber si lo que creen que están viendo es lo que en realidad están viendo. Pero estos resultados muestran que, potencialmente por primera vez, los investigadores han presenciado lainterferencia mecánica cuántica de cuasipartículas.
Este mecanismo también podría ayudar en el desarrollo de qubits topológicos en el futuro.
"Hasta donde sabemos, esta es la única plataforma viable para intentar hacer experimentos más complejos que pueden, en estados más complicados, ser la base de un qubit topológico", dijo Manfra. "Hemos estado tratando de construirestos por un tiempo, con el objetivo final de validar algunas de estas propiedades tan extrañas. Aún no hemos llegado hasta allí, pero hemos demostrado que esta es la mejor manera de avanzar ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Purdue . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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