Una nueva forma de heteroestructura de materiales bidimensionales (2D) en capas puede permitir que la computación cuántica supere las barreras clave para su aplicación generalizada, según un equipo internacional de investigadores.

Los investigadores fueron dirigidos por un equipo que forma parte del Penn State Center for Nanoscale Science (CNS), uno de los 19 Centros de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales (MRSEC) en los Estados Unidos financiados por la Fundación Nacional de Ciencias. Su trabajo fue publicado el 13 de febrero en Nature Materials.

Una computadora normal consta de miles de millones de transistores, conocidos como bits, y se rigen por código binario (« 0 » = apagado y « 1 » = encendido). Un bit cuántico, también conocido como qubit, se basa en la mecánica cuántica y puede ser un « 0 » y un « 1 » al mismo tiempo. Esto se conoce como superposición y puede permitir que las computadoras cuánticas sean más poderosas que las computadoras clásicas regulares.

Sin embargo, hay un problema con la construcción de una computadora cuántica.

« IBM, Google y otros están tratando de hacer y escalar computadoras cuánticas basadas en qubits superconductores », dijo Jun Zhu, profesor de física de Penn State y autor correspondiente del estudio. « Cómo minimizar el efecto negativo de un entorno clásico, que provoca un error en el funcionamiento de una computadora cuántica, es un problema clave en la computación cuántica ».

« Se espera que los qubits basados ​​en superconductores topológicos estén protegidos por el aspecto topológico de la superconductividad y, por lo tanto, sean más robustos contra los efectos destructivos del medio ambiente », dijo Zhu.

Un qubit topológico se relaciona con la topología en matemáticas, donde una estructura sufre cambios físicos, como doblarse o estirarse, y aún conserva las propiedades de su forma original. Es un tipo teórico de qubit y aún no se ha realizado, pero la idea básica es que las propiedades topológicas de ciertos materiales pueden proteger el estado cuántico de ser perturbado por el entorno clásico.

Actualmente hay mucho enfoque en la computación cuántica topológica, según Cequn Li, estudiante graduado en física y primer autor del estudio.

« La computación cuántica es un tema muy candente y la gente está pensando en cómo construir una computadora cuántica con menos errores en el cálculo », dijo Li. « Una computadora cuántica topológica es una forma atractiva de hacerlo. Pero una clave para la computación cuántica topológica es desarrollar los materiales adecuados para ello ».

Los investigadores del estudio han dado un paso en esta dirección al desarrollar un tipo de material en capas llamado heteroestructura. La heteroestructura en estudio consta de una capa de un material aislante topológico, telururo de bismuto y antimonio o (Bi,Sb)2Te3, y una capa de material superconductor, galio.

« Desarrollamos una técnica de medición especial para probar la superconductividad inducida por proximidad en la superficie de la película (Bi, Sb) 2Te3 », dijo Zhu. « La superconductividad inducida por proximidad es un mecanismo clave para realizar un superconductor topológico. Nuestro trabajo demostró que, de hecho, ocurre en la superficie de la película (Bi,Sb)2Te3. Este es un primer paso hacia la realización de un superconductor topológico ».

Sin embargo, tal heteroestructura topológica de aislador/superconductor es difícil de crear.

« Por lo general, no es fácil porque los diferentes materiales tienen diferentes estructuras de celosía », dijo Li. « Además, si junta dos materiales, pueden reaccionar químicamente entre sí y terminar con una interfaz desordenada ».

Por lo tanto, los investigadores están utilizando una técnica de síntesis conocida como heteroepitaxia de confinamiento, que se está explorando en MRSEC. Se trata de intercalar una capa de grafeno epitaxial, que es una lámina de átomos de carbono de uno o dos átomos de espesor, entre la capa de galio y la capa de (Bi,Sb)2Te3. Li señala que esto permite que las capas interactúen y se combinen, como unir bloques de Lego.

« El grafeno separa estos dos materiales y actúa como una barrera química », dijo Li. « Entonces, no hay reacción entre ellos, y terminamos con una interfaz muy agradable ».

Además, los investigadores demostraron que esta técnica es escalable a nivel de oblea, lo que la convertiría en una opción atractiva para la computación cuántica del futuro. Una oblea es una rebanada redonda de material semiconductor que sirve como sustrato para la microelectrónica.

« Nuestra heteroestructura tiene todos los elementos para un superconductor topológico, pero quizás lo más importante es que es una película delgada y potencialmente escalable », dijo Li. « Por lo tanto, una película delgada a escala de oblea tiene un gran potencial para futuras aplicaciones, como la construcción de una computadora cuántica topológica ».

Esta investigación fue un esfuerzo combinado del equipo IRG1 – 2D Polar Metals and Heterostructures de CNS, dirigido por Zhu y Joshua Robinson, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Penn State. Otros profesores involucrados en la investigación incluyen a Cui-Zu Chang, Henry W. Knerr Early Career Professor y profesor asociado de física, y Danielle Reifsnyder Hickey, profesora asistente de química y ciencia e ingeniería de materiales.

« Este fue un trabajo en equipo notable por parte del equipo IRG1 de nuestro MRSEC », dijo Zhu. « El grupo Robinson hizo crecer la película de galio de dos capas atómicas usando heteroepitaxia de confinamiento, el grupo Chang hizo crecer la película aislante topológica usando epitaxia de haz molecular, y el grupo Reifsnyder Hickey y el personal del Instituto de Investigación de Materiales realizaron una caracterización a escala atómica de la heteroestructura y los dispositivos ».

El siguiente paso es perfeccionar el proceso y dar un paso más para hacer realidad una computadora cuántica topológica.

« El material es clave, por lo que nuestros colaboradores están tratando de mejorar el material », dijo Li. « Esto significa una mejor uniformidad y una mayor calidad. Y nuestro grupo está tratando de fabricar dispositivos más avanzados en este tipo de heteroestructuras para investigar las firmas de la superconductividad topológica ».

Junto con Li, Zhu, Reifsnyder Hickey, Robinson y Chang, otros autores del estudio de Penn State incluyen a Yi-Fan Zhao, Alexander Vera, Hemian Yi, Shalani Kumari, Zijie Yan, Chengye Dong, Timothy Bowen, Ke Wang, Haiying Wang y Jessica L. Thompson. Los autores del Instituto de Ciencias Weizmann en Rehovot, Israel, incluyen a Omri Lesser y Yuval Oreg. Los autores del Instituto Nacional de Ciencias de los Materiales en Tsukuba, Japón, incluyen a Kenji Watanabe y Takashi Taniguchi.

La financiación para el estudio fue proporcionada por la Fundación Nacional de Ciencias a través del programa MRSEC.