Demuestran cómo eliminar el principal ‘falso positivo’ de la partícula de Majorana, clave para la computación cuántica escalable

Image

Un estudio del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC) ha dado con un nuevo sistema que elimina los falsos positivos de Majorana. Las partículas de Majorana son muy esquivas, pero claves para el avance de la computación cuántica topológica. 

El trabajo, que acaba de publicarse en Physical Review Letters, demuestra que un diseño alternativo de nanocables híbridos (unas diez mil veces más finos que un cabello humano) elimina una de las principales fuentes de falsos positivos de Majorana que han obstaculizado la búsqueda de estas escurridizas partículas.

Durante décadas, los y las expertas en física han buscado los modos-cero de Majorana: se trata de estados topológicos esquivos que se forman en los extremos de nanocables semiconductores —material que conduce la electricidad solo bajo ciertas condiciones– y que están recubiertos de material superconductor, es decir, que conduce electricidad sin ofrecer ninguna resistencia ni perder energía en forma de calor. 

“Dado que podrían almacenar información cuántica de una forma intrínsecamente protegida frente a errores, estos modos ofrecen una vía hacia ordenadores cuánticos altamente robustos”, explica Carlos Payá, investigador del ICMM-CSIC y primer autor del trabajo.

Normalmente, los estados de Majorana se han buscado a través de una técnica llamada Espectroscopía de Efecto Túnel, en la que se sondea eléctricamente un extremo del cable y se busca un pico característico a voltaje cero en su conductancia. “El problema es que unos estados impostores, conocidos como cuasi-Majoranas, producen exactamente el mismo tipo de pico a pesar de ser topológicamente triviales”, continúa Elsa Prada, también investigadora del ICMM-CSIC e investigadora principal del estudio.

Estos impostores, cuya existencia la demostró un trabajo del ICMM-CSIC hace unos años, han complicado la confirmación de la existencia de estados de Majorana: la  capacidad de distinguir sin ambigüedad entre un estado de Majorana genuino y un impostor es un paso indispensable para el desarrollo de qubits (bits cuánticos) topológicos, que prometen ser mucho más robustos frente a errores que los qubits convencionales.

Ahora, este trabajo demuestra que dicha ambigüedad desaparece con un diseño alternativo del nanocable híbrido: el equipo de trabajo propone que el superconductor forme un tubo completo alrededor del semiconductor, en lugar de recubrir solo algunas de sus caras. “En estos nanocables de recubrimiento completo (full-shell, en inglés), el mismo campo eléctrico que genera impostores crea simultáneamente una capa electrónica en el extremo del cable, desplazando a los cuasi-Majoranas fuera del alcance de la sonda”, detallan Pablo San-José y César Robles, coautores del trabajo.

“En consecuencia, un pico estable a voltaje cero medido en una geometría full-shell no puede provenir de un cuasi-Majorana.”, celebra Payá, “La prueba definitiva de un Majorana es, en cualquier caso, hacer computación cuántica con ellos y comprobar que es topológico,” añade.

Los resultados de este trabajo proporcionan una base teórica sólida para guiar futuros experimentos, ya que eliminan una de las principales fuentes de incertidumbre en la experimentación con estos sistemas. 

Referencia:

C. Payá, C. Robles, P. San-Jose, and E. Prada, Absence of quasi-Majorana false positives in full-shell hybrid nanowires, Physical Review Letters. DOI: https://doi.org/10.1103/w9tp-3bbq