Un nuevo estudio ha revelado un comportamiento importante en el flujo de corriente eléctrica a través de superconductores, lo que podría impulsar el desarrollo de tecnologías futuras para el procesamiento controlado de información cuántica..
El estudio fue coautor de Babak Seradje, profesor de física en la Facultad de Artes y Ciencias de Bloomington de la Universidad de Indiana, junto con el físico teórico Rekha Kumari y Arijit Kundu del Instituto Indio de Tecnología Kanpur. Si bien el estudio es teórico, el equipo de investigación confirmó sus hallazgos mediante simulaciones numéricas. Publicado en cartas de examen fisicoEn la revista de física más grande del mundo, la investigación se centra en los “fermiones de Floquet Majorana” y su papel en un fenómeno llamado efecto Josephson, que podría conducir a un control más preciso sobre la dinámica de los sistemas cuánticos en movimiento.
Potencialmente avanzando la computación cuántica
La construcción de una computadora cuántica completa se ve obstaculizada por un problema fundamental: la inestabilidad. Esta inestabilidad se debe principalmente a algo llamado “decoherencia cuántica”, en la que los bits cuánticos, llamados “qubits”, pierden su estado cuántico crítico debido a interferencias del entorno, como fluctuaciones de temperatura o ruido electromagnético.
Los qubits se pueden fabricar utilizando una variedad de sistemas físicos, como iones atrapados, matrices ópticas o superconductores, materiales que pueden conducir electricidad con resistencia cero, a menudo a temperaturas extremadamente bajas cercanas al cero absoluto. Esto hace que las computadoras cuánticas consuman mucha energía para mantenerse frías y, por lo tanto, estables, porque cuando los qubits no se mantienen lo suficientemente fríos se vuelven aún más inestables, lo que significa que los errores son grandes en cantidad y con mayor frecuencia.
Una forma de combatir esos errores es buscar “superconductores a temperatura ambiente”, a menudo llamados el santo grial de la superconductividad, porque el proceso de enfriamiento es muy caro y complicado. Si los científicos pueden desarrollar materiales que exhiban superconductividad cerca de la temperatura ambiente (alrededor de 20 a 25 grados Celsius o 68 a 77 grados Fahrenheit), podría revolucionar la tecnología tal como la conocemos, en última instancia, la transmisión de energía sin pérdidas puede conducir a una transmisión de energía más rápida, más rápida y más. ahorro de energía. Electrónica y criptoseguridad avanzada.
El profesor Seradjeh y sus colegas abordaron el problema de la decoherencia de una manera diferente, codificando información cuántica de forma no local para que se propague a mayores distancias en el espacio y, por lo tanto, sea inmune al ruido y las fluctuaciones espaciales.
¿Qué hace que “Floquet Majorana Fermions” sea especial para la computación cuántica?
Los fermiones de Majorana llevan el nombre de Ettore Majorana, el físico italiano que postuló por primera vez su existencia en 1937 como partículas subatómicas que se comportan de maneras únicas. A diferencia de la mayoría de las partículas, los fermiones de Majorana son sus propias antipartículas. (Para cada tipo de partícula en el universo, como electrones y protones, existe una antipartícula correspondiente con carga opuesta y la misma masa, y esta interacción entre partículas y antipartículas es una parte fundamental de la estructura del universo. ).
El físico matemático Alexey Kitayev se dio cuenta en 2000 de que los fermiones de Majorana pueden existir no sólo como partículas elementales sino también como excitaciones cuánticas en ciertos materiales conocidos como superconductores topológicos. Se diferencian de los superconductores regulares en que un superconductor topológico tiene estados cuánticos únicos y estables en su superficie o bordes que son preservados por la topología subyacente del material: la forma en que los electrones se comportan a nivel cuántico.
Estos estados superficiales los hacen resistentes a las perturbaciones, razón por la cual tienen el potencial de producir computadoras cuánticas más estables. Estos estados de borde especiales se comportan exactamente como los fermiones de Majorana, que no existen en los superconductores regulares. En teoría, estos fermiones de Majorana podrían usarse para almacenar información cuántica de forma no local, proporcionando así una forma de proteger los qubits del desorden.
El profesor Seradje y sus colegas descubrieron los fermiones de majorana en un contexto específico: superconductores que “son operados periódicamente”, es decir, expuestos a fuentes de energía externas que se encienden y apagan repetidamente. Esta conducción periódica cambia el comportamiento de los fermiones de Majorana, convirtiéndolos en “fermiones de floceta de Majorana” (FMF). Los fermiones de Floquet Majorana pueden existir en estados discretos que cambian en función de su interacción con la fuente de energía cíclica, lo que no es posible sin un impulso periódico. La conducción periódica del superconductor es clave para mantener los FMF y los patrones inusuales que crean.
Para crear una corriente eléctrica en conductores comunes entre dos puntos, es necesario aplicar un voltaje, que actúa como presión que empuja la electricidad entre los dos puntos. Pero debido a un proceso especial de túnel cuántico llamado “efecto Josephson”, la corriente puede fluir entre dos superconductores sin aplicar voltaje. Los FMF afectan esta corriente de Josephson de maneras únicas. En la mayoría de los sistemas, la corriente entre dos superconductores se repite a intervalos regulares. Sin embargo, los FMF se manifiestan como un patrón de corrientes que giran a la mitad de la velocidad normal, creando una firma única que puede ayudar a detectarlos.
Sintonizando la corriente con nuevas técnicas
Uno de los hallazgos clave del estudio de Seradjeh y sus colegas es que la fuerza de la corriente de Josephson (la cantidad de flujo eléctrico) puede manipularse utilizando el “potencial químico” de los superconductores. En pocas palabras, el potencial químico actúa como un dial que ajusta las propiedades del material, y los investigadores descubrieron que puede modificarse sincronizándolo con la frecuencia de una fuente de energía externa que impulsa el sistema. Esto podría dar a los científicos un nuevo nivel de control sobre los materiales cuánticos y abrir posibilidades para aplicaciones en el procesamiento de información cuántica, donde la manipulación precisa de los estados cuánticos es importante.
El descubrimiento de que los fermiones de Floquet Majorana tienen propiedades únicas que pueden controlarse mediante unidades externas podría ayudar a allanar el camino para construir computadoras cuánticas que sean más rápidas y tolerantes a fallas. Estos resultados proporcionan una hoja de ruta para que investigadores de todo el mundo descubran y exploren propiedades nuevas y controlables en sistemas cuánticos impulsados.
