O Santo Graal da Computação Quântica: Realizando Qubits Protegidos Topologicamente

Uma equipe de físicos criou com sucesso propriedades supercondutoras em materiais conhecidos por conduzir eletricidade apenas em suas bordas, marcando um potencial salto à frente Computação quântica tecnologia.

Essa conquista, que iludiu os pesquisadores por mais de uma década, foi possível graças ao controle meticuloso das condições experimentais.

Avanços Quânticos

Uma equipe de físicos experimentais liderada pela Universidade de Colônia mostrou que é possível criar efeitos supercondutores em materiais especiais conhecidos por suas propriedades elétricas únicas de borda. Esta descoberta fornece uma nova maneira de explorar estados quânticos avançados que podem ser cruciais para o desenvolvimento de computadores quânticos estáveis ​​e eficientes. Seu estudo, intitulado 'Induced superconducting correlations in a quantum anomalous Hall insulator', foi publicado em Física da Natureza.

Efeito Hall Anômalo Quântico e Supercondutividade

A supercondutividade é um fenômeno em que a eletricidade flui sem resistência em certos materiais. O efeito Hall anômalo quântico é outro fenômeno que também causa resistência zero, mas com uma diferença: ele é confinado às bordas em vez de se espalhar por toda parte. A teoria prevê que uma combinação de supercondutividade e o efeito Hall anômalo quântico dará origem a partículas protegidas topologicamente chamadas de férmions de Majorana que potencialmente revolucionarão tecnologias futuras, como computadores quânticos. Tal combinação pode ser alcançada induzindo supercondutividade na borda de um isolante Hall anômalo quântico que já é livre de resistência. O estado de borda quiral Majorana resultante, que é um tipo especial de férmions de Majorana, é uma chave para realizar 'qubits voadores' (ou bits quânticos) que são protegidos topologicamente.

Alcançando estados quirais de Majorana

Anjana Uday, pesquisadora de doutorado do último ano no grupo do Professor Dr. Yoichi Ando e primeira autora do artigo, explicou: “Para este estudo, usamos filmes finos do isolante Hall anômalo quântico contatados por um eletrodo de Nióbio supercondutor e tentamos induzir estados Majorana quirais em suas bordas. Após cinco anos de trabalho duro, finalmente conseguimos atingir este objetivo: quando injetamos um elétron em um terminal do material isolante, ele reflete em outro terminal, não como um elétron, mas como um buraco, que é essencialmente um fantasma de um elétron com carga oposta. Chamamos esse fenômeno de reflexão cruzada de Andreev, e ele nos permite detectar a supercondutividade induzida no estado de borda topológica.”

Chave para o sucesso e colaboração

Gertjan Lippertz, um bolsista de pós-doutorado no grupo Ando e coautor do artigo, acrescentou: “Este experimento foi tentado por muitos grupos nos últimos dez anos desde a descoberta do efeito Hall anômalo quântico, mas ninguém teve sucesso antes. A chave para o nosso sucesso é que a deposição do filme do isolador Hall anômalo quântico, cada etapa da fabricação do dispositivo, bem como medições de temperatura ultrabaixa são feitas no mesmo laboratório. Isso não é possível em nenhum outro lugar.”

Para atingir esses resultados, o grupo de Colônia colaborou com colegas da KU Leuven, da Universidade de Basel, bem como do Forschungszentrum Jülich. Este último contribuiu com suporte teórico dentro do Cluster of Excellence Matter and Light for Quantum Computing (ML4Q). “O Cluster tem sido fundamental no fornecimento da estrutura colaborativa e dos recursos necessários para essa descoberta”, elaborou Yoichi Ando, ​​Professor de Física Experimental na Universidade de Colônia e porta-voz do ML4Q.

Direções futuras na computação quântica

Esta descoberta abre inúmeras avenidas para pesquisas futuras. Os próximos passos incluem experimentos para confirmar diretamente o surgimento de férmions Majorana quirais e elucidar sua natureza exótica. Entender e aproveitar a supercondutividade topológica e os estados de borda Majorana quirais pode revolucionar a computação quântica ao fornecer qubits estáveis ​​que são menos suscetíveis à decoerência e perda de informação. A plataforma demonstrada neste estudo oferece um caminho promissor para atingir essas metas, potencialmente levando a computadores quânticos mais robustos e escaláveis.

Referência: “Induced superconducting correlations in a quantum anomalous Hall insulator” por Anjana Uday, Gertjan Lippertz, Kristof Moors, Henry F. Legg, Rikkie Joris, Andrea Bliesener, Lino MC Pereira, AA Taskin e Yoichi Ando, ​​10 de julho de 2024, Física da Natureza.
DOI: 10.1038/s41567-024-02574-1