Un paso más hacia la computación cuántica topológica: un avance en la frontera

Un equipo de físicos experimentales liderado por la Universidad de Colonia ha demostrado que es posible crear efectos superconductores en materiales especiales conocidos por sus propiedades eléctricas únicas en los bordes. Este descubrimiento proporciona una nueva forma de explorar estados cuánticos avanzados que podrían ser cruciales para el desarrollo de computadoras cuánticas estables y eficientes. Su estudio, titulado ‘Correlaciones superconductoras inducidas en un aislante de efecto Hall cuántico anómalo’, se ha publicado en Nature Physics.
La superconductividad es un fenómeno en el que la electricidad fluye sin resistencia en ciertos materiales. El efecto Hall cuántico anómalo es otro fenómeno que también causa resistencia cero, pero con un giro: se limita a los bordes en lugar de extenderse por todo el material. La teoría predice que una combinación de superconductividad y el efecto Hall cuántico anómalo dará lugar a partículas topológicamente protegidas llamadas fermiones de Majorana que potencialmente revolucionarán las tecnologías futuras como las computadoras cuánticas. Tal combinación se puede lograr induciendo superconductividad en el borde de un aislante de efecto Hall cuántico anómalo que ya es libre de resistencia. El estado de borde de Majorana quiral resultante, que es un tipo especial de fermiones de Majorana, es clave para realizar ‘qubits voladores’ (o bits cuánticos) que están topológicamente protegidos.
Anjana Uday, investigadora doctoral de último año en el grupo del profesor Dr. Yoichi Ando y la primera autora del artículo, explicó: “Para este estudio, utilizamos películas delgadas del aislante de efecto Hall cuántico anómalo en contacto con un electrodo superconductor de Niobio e intentamos inducir estados de Majorana quirales en sus bordes. Después de cinco años de arduo trabajo finalmente pudimos lograr este objetivo: cuando inyectamos un electrón en una terminal del material aislante, este se refleja en otra terminal, no como un electrón sino como un agujero, que es esencialmente un fantasma de un electrón con carga opuesta. Llamamos a este fenómeno reflexión de Andreev cruzada y nos permite detectar la superconductividad inducida en el estado de borde topológico”.
Gertjan Lippertz, investigador posdoctoral en el grupo de Ando y coautor del artículo, agregó: “Este experimento ha sido probado por muchos grupos en los últimos diez años desde el descubrimiento del efecto Hall cuántico anómalo, pero nadie lo había logrado antes. La clave de nuestro éxito es que la deposición de película del aislante de efecto Hall cuántico anómalo, cada paso de la fabricación del dispositivo, así como las mediciones de ultra baja temperatura, se realizan todas en el mismo laboratorio. Esto no es posible en otro lugar”.
Para lograr estos resultados, el grupo de Colonia colaboró con colegas de la KU Leuven, la Universidad de Basilea y el Forschungszentrum Jülich. Este último contribuyó con soporte teórico dentro del clúster conjunto de excelencia Materia y Luz para la Computación Cuántica (ML4Q). “El Clúster ha sido fundamental para proporcionar el marco de colaboración y los recursos necesarios para este avance”, explicó Yoichi Ando, profesor de Física Experimental en la Universidad de Colonia y portavoz de ML4Q.
Este descubrimiento abre numerosas vías para futuras investigaciones. Los siguientes pasos incluyen experimentos para confirmar directamente la aparición de fermiones de Majorana quirales y para dilucidar su naturaleza exótica. Comprender y aprovechar la superconductividad topológica y los estados de borde de Majorana quirales podría revolucionar la computación cuántica al proporcionar qubits estables que son menos susceptibles a la decoherencia y la pérdida de información. La plataforma demostrada en este estudio ofrece un camino prometedor para lograr estos objetivos, lo que podría llevar a computadoras cuánticas más robustas y escalables.