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A finales de junio de 2019 fue publicado en la prestigiosa revista científica estadounidense Physical Review Letters un artículo donde un equipo conjunto de investigadores adscritos a la Universidad de California (Riverside) y el Instituto de Tecnología de Massachusetts exponen sus hallazgos en torno a un nuevo material que muestra alto potencial para ser usado en computación cuántica. Los científicos podrían estar cerca de confirmar la existencia de una partícula cuántica exótica llamada fermión de Majorana, crucial para la computación cuántica tolerante a fallas (el tipo de computación cuántica capaz de lidiar con errores durante su funcionamiento).
La computación cuántica utiliza fenómenos cuánticos para realizar cálculos, explican los autores; en este contexto, los fermiones de Majorana son uno de los objetos más buscados en la física cuántica, porque son sus propias antipartículas, es decir: pueden dividir el estado cuántico de un electrón por la mitad y siguen diferentes estadísticas en comparación con los electrones. Aunque muchos investigadores han declarado haberlos identificado, la comunidad científica aún no puede confirmar su naturaleza cuántica exótica.
El equipo de los científicos autores del artículo superó el desafío mediante el desarrollo de un nuevo sistema de materiales de heteroestructura, basado en oro, que podría utilizarse para demostrar la existencia y la naturaleza cuántica de los fermiones de Majorana. Los materiales de heteroestructura, aclaran los especialistas, se componen de capas de materiales radicalmente diferentes, los cuales en conjunto muestran funcionalidades completamente diferentes en comparación con sus capas individuales. No es para nada trivial, enfatizan, encontrar sistema material que sea naturalmente un superconductor topológico.
Considerado como la mitad de un electrón, el fermión de Majorana se encuentra en los extremos de un superconductor topológico de nanocables, según se predice. Curiosamente, dos fermiones de Majorana pueden combinarse entre sí para formar un electrón, permitiendo de esta manera que los estados cuánticos del electrón se almacenen de manera no local, una ventaja para la computación cuántica tolerante a fallas. Desde 2012, teóricos del Massachusetts Institute of Technology predijeron que, en condiciones precisas, las heteroestructuras de oro podrían convertirse en un superconductor topológico.
Tales condiciones precisas fueron alcanzadas en los experimentos llevados a cabo por el equipo liderado por Peng Wei, Jagadeesh Moodera y Patrick Lee; todas las condiciones necesarias para las heteroestructuras de oro fueron logradas, luego de solucionar varios desafíos de física de materiales. Esta investigación muestra que: la superconductividad, el magnetismo y el acoplamiento de órbita de los electrones pueden coexistir en oro (un desafío difícil de superar); y luego puede mezclarse manualmente con otros materiales a través de heteroestructuras.
No terminan ahí las disrupciones respecto a la física hasta ahora conocida: la superconductividad y el magnetismo generalmente no coexisten en el mismo material; además, el oro no es un superconductor, como tampoco lo son los estados de los electrones en su superficie. Por primera vez, estos científicos han demostrado que la superconductividad puede llevarse a los estados de la superficie del oro; en adición, proporcionan pruebas de la factibilidad de ajustar la densidad de los electrones superconductores en los estados de la superficie del oro.
¿Por qué es importante este nuevo material que muestra alto potencial para la computación cuántica? Los descubrimientos expuestos en el artículo científico podrían ser esenciales en al futura manipulación de fermiones de Majorana, necesaria a fin de mejorar los resultados de la computación cuántica. Otro de los descubrimientos con gran potencial es el hecho de que el estado superficial del oro es un sistema bidimensional naturalmente escalable, esto es, permite la construcción de circuitos de fermión de Majorana.
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