Experiment susține fundația teoretică pentru computația cuantică mai rezistentă la erori
O echipă de fizicieni de la Universitatea din Köln a observat stări cuantice care se comportă conform predicțiilor într-un sistem de materiale considerat promițător pentru computația cuantică topologică, o abordare care ar putea face stocarea informației în computerele cuantice mai puțin vulnerabilă la erori. Rezultatele au fost publicate în revista Science Advances, sub titlul „Tunneling spectroscopy of topological insulator Josephson junctions”.
Izolatorii topologici sunt materiale care nu conduc electricitatea în interiorul lor, dar o conduc de-a lungul suprafețelor. Atunci când sunt combinați cu un superconductor convențional, stările lor de suprafață ar urma să susțină o formă specială de superconductivitate, cunoscută drept superconductivitate topologică. Dacă ar fi realizată, aceasta ar putea oferi o cale către modurile zero Majorana, stări cuantice investigate pentru potențialul lor de a fi utilizate în biții cuantici topologici.
Pentru a studia comportamentul prezis, dr. Jakob Schluck, Ella Nikodem și colegii lor din Laboratorul de Materie Topologică Köln, condus de profesorul Yoichi Ando, au analizat o structură numită joncțiune Josephson, formată din doi superconduttori conectați printr-o regiune nesupraconductoare. Folosind spectroscopia de tunelare, cercetătorii au investigat stările cuantice din interiorul joncțiunii, variind diferența de fază dintre cei doi superconduttori.
Echipa a observat stări Andreev foarte transmisive, care se formează atunci când electronii și golurile interacționează la o joncțiune supraconductoare. Aceste stări au apărut pe o gamă de densități de purtători de sarcină, în concordanță cu comportamentul prezis al electronilor de la suprafața izolatorului topologic. De asemenea, când cercetătorii au aplicat un câmp magnetic, au constatat că aceste stări se concentrează în regiuni specifice ale joncțiunii, așa cum prevede teoria.
„Înțelegerea modului în care superconductivitatea interacționează cu proprietățile electronice distinctive ale izolatorilor topologici este esențială pentru evaluarea potențialului lor pentru computația cuantică topologică”, a declarat Ando.
Rezultatele experimentale sunt în acord cu predicțiile teoretice bazate pe modelul propus de Liang Fu și Charles Kane în 2008, precum și cu simulările numerice realizate de grupul profesorului Fabian Hassler de la Universitatea RWTH Aachen. „Este extrem de emoționant să vedem că rezultatele noastre experimentale se aliniază atât de bine cu predicțiile teoretice. Acest lucru este foarte încurajator pentru viitoarele aplicații în computația cuantică”, a adăugat Nikodem.
Rămâne totuși deschisă o întrebare importantă: trec stările observate prin închiderea și redeschiderea prezisă a unei benzi energetice? O astfel de schimbare ar putea semnala o tranziție către superconductivitatea topologică, în care anumite stări cuantice ar putea fi protejate împotriva perturbațiilor locale. Această protecție este unul dintre motivele pentru care computația cuantică topologică este considerată o cale promițătoare către biți cuantici mai robuști.
În experimentul actual, tranziția urmează să fie confirmată prin măsurători mai precise. „Pentru a demonstra tranziția de fază topologică în acest sistem, trebuie să îmbunătățim rezoluția energetică și temporală a experimentului — acesta este următorul pas pe foaia de parcurs a laboratorului Ando”, a explicat Schluck.
