Materiale superconduttore per il calcolo quantistico

I computer quantistici con la capacità di eseguire calcoli complessi, crittografare i dati in modo più sicuro e prevedere più rapidamente la diffusione dei virus, potrebbero essere a portata di mano grazie alla scoperta di un nuovo materiale superconduttore.

«Abbiamo scoperto che un certo materiale superconduttore contiene proprietà speciali che potrebbero essere i mattoni per la tecnologia del futuro», afferma il dottor Yufan Li, un borsista post-dottorato (primo autore del documento) presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia della Johns Hopkins University. La ricerca è stata pubblicata su Science. (1)

I computer di oggi usano bit, rappresentati da una tensione elettrica o un impulso di corrente, per memorizzare informazioni. I bit esistono in due stati binari, rappresentati nel calcolo come “0” o “1”. I computer quantistici, basati sulle leggi della meccanica quantistica, usano bit quantici o qubit, che non solo usano due stati, ma utilizzano anche una sovrapposizione di quei due stati. Un famoso esempio di qubit è lo Schrodinger's cat, un paradosso che ipotizza un gatto fantasmagorico che può essere allo stesso tempo sia vivo che morto.

«Un'implementazione più realistica e tangibile del qubit può essere un anello fatto di materiale superconduttore, noto come qubit di flusso, in cui due stati con correnti elettriche, che scorrono in senso orario e antiorario, possono esistere contemporaneamente», afferma il dottor Chia-Ling Chien, (2) professore di fisica presso La Johns Hopkins University (un altro autore sul documento). Per esistere tra due stati, i qubit che utilizzano i superconduttori tradizionali richiedono l'applicazione di un campo magnetico esterno molto preciso su ciascun qubit, rendendo così difficile il loro funzionamento in modo pratico.

Nel nuovo studio, il professor Li e colleghi hanno scoperto che esiste già un anello di ß-Bi2Pd tra due stati in assenza di un campo magnetico esterno. La corrente può intrinsecamente circolare sia in senso orario che antiorario, contemporaneamente, attraverso un anello di ß-Bi2Pd. Il dottor Chia-Ling Chien aggiunge: «Un anello di ß-Bi2Pd esiste già nello stato ideale e non richiede alcuna modifica aggiuntiva per funzionare. Potrebbe essere un punto di svolta.»

Il prossimo passo, dice il professor Li, è cercare fermioni Majorana all'interno di ß-Bi2Pd. I fermioni Majorana sono particelle che sono anche anti-particelle di se stesse e sono necessarie per il livello successivo di computer quantistici resistenti alle interruzioni: i computer quantistici topologici.

I fermioni Majorana dipendono da un tipo speciale di materiale superconduttore - un cosiddetto superconduttore a tripla spin con due elettroni in ciascuna coppia che allinea i loro giri in modo parallelo - dinamica finora non compresa a fondo dagli scienziati. Ora, attraverso una serie di esperimenti, Chia-Ling Chien e colleghi hanno scoperto che i film sottili di ß-Bi2Pd hanno le proprietà speciali necessarie per il futuro dell'informatica quantistica.

Gli scienziati devono ancora scoprire il superconduttore intrinseco spin-triplet necessario per far avanzare l'informatica quantistica, ma il professor Chia-Ling Chien spera che la scoperta delle proprietà speciali di ß-Bi2Pd porterà alla successiva ricerca di fermioni Majorana nel materiale.

«In definitiva, l'obiettivo è quello di trovare e quindi manipolare i fermioni Majorana, che è la chiave per ottenere un calcolo quantico a tolleranza d'errore per liberare veramente il potere della meccanica quantistica», conclude Li.

Altri autori su questo documento includono Xiaoying Xu della Johns Hopkins University; M.-H. Lee e M.-W. Chu della National Taiwan University. Il Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti, Scienze energetiche di base (DESC0009390) ha fornito finanziamenti per questo lavoro.

Riferimenti:

(1) Observation of half-quantum flux in the unconventional superconductor ß-Bi₂Pd

(2) Chia-Ling Chien

Descrizione foto: una rappresentazione visiva di un qubit, che può esistere simultaneamente tra due stati. Un famoso esempio di qubit è il gatto di Schrodinger, un ipotetico gatto che può essere sia vivo che morto. Allo stesso modo, un qubit di flusso, o un anello fatto di un materiale superconduttore, può avere corrente elettrica che scorre contemporaneamente in senso orario e antiorario. - Credit: Yufan Li.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Researchers find superconducting material that could someday power quantum computers