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Curved nanomembranes for Topological Quantum Computation

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Un avance para la computación cuántica topológica

La velocidad a la que los futuros ordenadores cuánticos podrán realizar operaciones es suficiente para hacer que la cabeza de cualquiera dé vueltas. Ahora, imagínese si todas estas operaciones fueran 100 % a prueba de fallos. Este es el potencial por el que apuesta el proyecto CNTQC.

Investigación fundamental

Precisamente lo que hace que la computación cuántica sea revolucionaria —su dependencia de la capacidad de las partículas subatómicas para existir en más de un estado en cualquier momento— es también lo que hace que sea muy difícil de dominar. Realizar los cálculos más rápidamente y con menos energía, se consigue a expensas del ruido ambiental y de los errores de funcionamiento, en una medida mucho más grave que en el cálculo clásico. De hecho, este es uno de los obstáculos más importantes en el camino hacia la computación cuántica aprovechable. La corrección de errores cuánticos puede permitir una computación cuántica a prueba de fallos para sistemas cuánticos suficientemente aislados y puertas cuánticas suficientemente precisas. Sin embargo, como señala el profesor Carmine Ortix del Instituto Leibniz para la Investigación de Materiales y el Estado Sólido de Dresde, los requisitos para hacerlo son demasiado estrictos. Optar por la computación cuántica topológica —en la que los cúbits están topológicamente protegidos contra la decoherencia— con fermiones de Majorana para lograrlo, sería una solución mucho mejor, pero no es precisamente fácil de conseguir. «Hay dos complicaciones principales», declara el doctor Ortix. «La primera es el requisito de un acoplamiento espín-órbita sustancial e intrínseco, que reduce en gran medida el número de materiales candidatos potenciales. La segunda es el bajo control de las correlaciones de pares superconductores. Los pares de cobre se introducen en la región no superconductora con un acoplamiento espín-órbita fuerte a través del efecto de proximidad, lo que requiere un nivel muy alto de control en el proceso de fabricación y de calidad de la interconexión superconductor-semiconductor». Con CNTQC, el doctor Ortix se propuso superar estos dos problemas mediante la introducción de nuevas plataformas en las que la generación de estados vinculados a fermiones de Majorana puede regularse a demanda. «La viabilidad de este concepto se basa en el hecho de que las propiedades mecánicas cuánticas de los portadores de carga limitados a nanoestructuras curvas son intrínsecamente diferentes de las de una nanoestructura plana convencional. Como resultado, las propiedades electrónicas y, por lo tanto, el transporte, también son muy diferentes», explica. El equipo de CNTQC demostró satisfactoriamente que la interacción entre los efectos inducidos por la curvatura en las propiedades electrónicas y la topología del estado fundamental de un sistema de baja dimensión es significativa. Por ejemplo, la deformación periódica de un nanohilo semiconductor provoca una transición entre el metal y el aislante, y, por lo tanto, define un interruptor de transistor nanoflex, «on» cuando el nanohilo es plano y «off» cuando el nanohilo es curvado de manera plana. «Además, las fases aislantes están dotadas de una estructura topológica no trivial, lo que da lugar a un nuevo espectro de mariposas “fractales”», continúa el doctor Ortix. «También hemos introducido el concepto de control de la forma geométrica de la fase cuántica-geométrica del espín en anillos cuánticos semiconductores deformados elípticamente con interacción de espín-órbita Rashba. Las deformaciones de la forma que generan una curvatura no uniforme dan lugar a complejas texturas de espín tridimensionales que revelan la manera de obtener un control totalmente eléctrico y totalmente geométrico de la orientación del espín del electrón. Por otro lado, estas texturas de espín geométricamente ajustables muestran diferentes patrones de interferencia Aharonov-Casher (AC) en los interferómetros de espín». Estos hallazgos revelan un enorme potencial para nuevos conceptos de dispositivos de la espín-orbitrónica donde el espín del electrón y el transporte electrónico están directamente controlados por la geometría del sistema. Además, el control de la forma geométrica de la fase geométrica de espín puede allanar el camino para futuras aplicaciones espintrónicas, como el control de corrientes de espín persistentes. En total, CNTQC introdujo el concepto de magnetorresistencia anisotrópica geométrica (GAMR, por sus siglas en inglés) en nanoestructuras tubulares abiertas curvas; predijo que un canal semiconductor con forma de serpentina en la escala mesoscópica puede actuar como una bomba de carga topológica electrónica una vez sometida a un campo magnético rotativo débil; creó una técnica llamada magnetometría Hall anómala de compensación cero que puede mejorar el alcance de las investigaciones de transporte basadas en el laboratorio en el próspero campo de la espintrónica antiferromagnética; ideó el primer elemento de memoria de temperatura ambiente que se basa únicamente en antiferroimanes y que puede escribirse utilizando un campo eléctrico en lugar de una corriente, e imágenes magnéticas avanzadas en la mesoescala. Basándose en estos prometedores resultados, el consorcio de CNTQC decidió comenzar a desarrollar un plan de acción para la futura explotación de los efectos inducidos por curvatura en los nanosistemas. Los resultados del proyecto apuntan al hecho de que la geometría curva de los nuevos nanosistemas puede utilizarse para nuevas funcionalidades en las que la generación de estados vinculados a fermiones de Majorana de forma controlada desempeñará un papel central.

Palabras clave

CNTQC, computación cuántica, fermión de Majorana

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