Cientistas “dividem” um elétron em três quase-partículas, o que ajudará a criar um computador quântico preciso

Nas revistas Nature e Science, um grupo de cientistas da Universidade de Washington relatou a descoberta de sinais de qubits topológicos teoricamente promissores – ânions (não confundir com ânions). Ao mesmo tempo, a computação quântica topológica e os ânions como qubits foram propostos para serem usados ​​​​pelo físico russo Alexei Kitaev, mas a implementação prática e até experimental dessas possibilidades não funcionou. Uma nova descoberta promete ajudar nisso.

A divisão da carga do elétron em três partes conforme imaginado pelo artista. Fonte da imagem: Eric Anderson/Universidade de Washington

No caso geral, a computação quântica topológica envolve o uso de qubits topológicos, que diferem dos qubits comuns por uma resistência muito alta a distúrbios externos. Isso significa que o sistema quântico estará livre de erros, mesmo com um número razoavelmente grande de qubits no sistema. Kitaev propôs para o papel dos qubits topológicos fases topológicas bidimensionais com ânions nas quais o efeito Hall anômalo quântico fracionário (FQAH) é observado.

«Os sistemas topológicos são interessantes porque eles têm essa correção de erros embutida neles, eles são protegidos no nível físico. Infelizmente, o efeito Hall ainda não foi obtido: estruturas semicondutoras nas quais o efeito Hall quântico é observado não podem ser feitas de qualidade suficientemente boa. Isso já acontece há muitos anos, ou seja, há avanços, mas não muito fortes ”, disse o próprio Kitaev em entrevista à Radio Liberty (incluída no cadastro de agentes estrangeiros).

E agora, cientistas americanos relataram detecção confiável de sinais do efeito Hall fracionário. A descoberta marca o primeiro e mais promissor passo na construção de um qubit tolerante a falhas, porque os estados FQAH podem conter anyons – estranhas “quasipartículas” que possuem apenas uma fração da carga de um elétron. Alguns tipos de ânions, como previu Kitaev, poderiam ser usados ​​para criar os chamados qubits “topologicamente seguros”, resistentes a quaisquer pequenas perturbações locais.

«Isso realmente estabelece um novo paradigma para o futuro da física quântica com excitações fracionárias”, disse Xiaodong Xu, autor principal, que também é professor distinto de física da Boeing e professor de ciência e engenharia de materiais na Universidade de Washington.

Os cientistas conseguiram alcançar o efeito reivindicado ao montar um experimento com dois “flocos” de um material semicondutor bidimensional como o telureto de molibdênio (MoTe2). Uma placa com a espessura de um átomo foi colocada em cima da outra e ligeiramente girada para que as redes atômicas formassem um padrão moiré. Como resultado, os elétrons se alinharam em uma estrutura que reproduziu uma nova forma exótica de matéria com propriedades próprias.

Por exemplo, a estrutura exibiu magnetismo sem a aplicação de um campo magnético externo. E se, em condições normais, são necessários os campos magnéticos mais fortes para o surgimento do efeito Hall quântico, que põe fim ao valor prático do fenômeno, então, no novo estado da matéria, o magnetismo interno levou ao surgimento desse efeito e ao aparecimento de ânions (à “divisão” da carga dos elétrons que interagem em partes fracionárias e estáveis). A partir disso surge a estabilidade dos qubits e a possibilidade de seu estado vinculado ou emaranhado – tudo o que é necessário para a computação quântica estável.

Além disso, a plataforma proposta promete auxiliar no estudo de outras quasipartículas não menos exóticas, também propostas por Kitaev como candidatas a qubits topológicos – ânions não abelianos.

«Esse tipo de qubit topológico será fundamentalmente diferente daqueles que podem ser criados agora, disse o estudante de doutorado em física da Universidade de Washington, Eric Anderson, principal autor do artigo na Science e coautor do artigo na Nature. “O comportamento estranho de qualquer pessoa não abeliana os tornaria muito mais confiáveis ​​como uma plataforma de computação quântica.”