Computadores quânticos topológicos um passo mais perto com novo método para ‘dividir’ elétrons

O computador quântico topológico ainda existe apenas em teoria, mas, se possível, seria a máquina de computação mais estável e poderosa do mundo. No entanto, ele requer um tipo especial de qubit (bit quântico) que ainda precisa ser realizado e manipulado.

A matéria convencional é composta de átomos que contêm elétrons, e os cientistas sabem há muito tempo que os elétrons são partículas fundamentais indivisíveis. No entanto, uma nova pesquisa surpreendente mostra que uma característica estranha da mecânica quântica pode ser usada para produzir objetos que se comportam como metade de um elétron.

Esses “elétrons divididos” podem atuar como qubits topológicos e podem ser a chave para desbloquear todo o poder da computação quântica.

A descoberta, publicada recentemente em Cartas de revisão físicafoi feito pelo professor Andrew Mitchell da Escola de Física da University College Dublin (UCD) e pela Dra. Sudeshna Sen do Instituto Indiano de Tecnologia em Dhanbad, que são físicos teóricos que estudam as propriedades quânticas de circuitos eletrônicos em nanoescala.

“A miniaturização da eletrônica chegou ao ponto agora em que os componentes do circuito têm apenas nanômetros de diâmetro. Nessa escala, as regras do jogo são definidas pela mecânica quântica, e você tem que abrir mão da sua intuição sobre como as coisas funcionam”, disse o Dr. Sen.

“Uma corrente fluindo através de um fio é, na verdade, composta de muitos elétrons, e conforme você torna o fio cada vez menor, você pode observar os elétrons passando um por um. Agora podemos até mesmo fazer transistores que funcionam com apenas um único elétron.”

Em circuitos eletrônicos em nanoescala, o fenômeno de interferência quântica entre elétrons pode levar a estados em que os elétrons parecem se dividir.

O professor Mitchell disse: “Em um circuito nanoeletrônico, elétrons que seguem caminhos diferentes no circuito podem interferir destrutivamente e bloquear o fluxo de corrente. Esse fenômeno já foi observado antes em dispositivos quânticos.

“A novidade que descobrimos é que, ao forçar múltiplos elétrons próximos o suficiente para que se repelam fortemente, a interferência quântica é alterada. Embora as únicas partículas fundamentais no circuito sejam elétrons, coletivamente eles podem se comportar como se o elétron tivesse sido dividido em dois.”

O resultado é o chamado “férmion de Majorana” — uma partícula teorizada pela primeira vez por matemáticos em 1937, mas ainda não isolada experimentalmente. A descoberta é potencialmente importante para o desenvolvimento de novas tecnologias quânticas, se a partícula de Majorana puder ser criada em um dispositivo eletrônico e manipulada.

O professor Mitchell disse: “Houve uma grande busca por Majoranas nos últimos anos porque elas são um ingrediente-chave para computadores quânticos topológicos propostos. Podemos ter encontrado uma maneira de produzi-las em dispositivos nanoeletrônicos usando o efeito de interferência quântica.”

Interferência quântica explicada pelo experimento da “dupla fenda”

Quando um circuito nanoeletrônico é projetado para dar aos elétrons a escolha de dois caminhos diferentes, a interferência quântica acontece. O professor Mitchell explicou: “A interferência quântica que vemos em tais circuitos é muito semelhante à observada no famoso experimento da dupla fenda.”

O experimento da dupla fenda demonstra as propriedades ondulatórias de partículas quânticas como o elétron, o que levou ao desenvolvimento da mecânica quântica na década de 1920. Elétrons individuais são disparados em uma tela com duas pequenas aberturas, e o lugar onde eles acabam é registrado em uma placa fotográfica do outro lado.

Como os elétrons podem passar por qualquer fenda, eles interferem uns com os outros. Na verdade, um único elétron pode interferir consigo mesmo, assim como uma onda faz quando passa por ambas as fendas ao mesmo tempo.

Como os elétrons podem passar por qualquer fenda, as ondas que emergem do outro lado podem interagir e se recombinar de maneiras complexas, produzindo um padrão de interferência. Quando o pico de uma onda colide com o vale de outra, elas se cancelam — o resultado é que o elétron não consegue passar.

“É a mesma coisa que está acontecendo em um circuito nanoeletrônico”, disse o professor Mitchell. “A interferência quântica pode ser usada para produzir os tipos de qubits que precisamos para computadores quânticos mais poderosos.”