Investigadores del QuTech en Delft han logrado combinar superconductores y puntos cuánticos para observar y manipular lo que se conocen como estados ligados de Majorana, unas entidades que podrían revolucionar el campo de la computación cuántica mediante propiedades que permiten una mayor estabilidad en los qubits. Este avance se ha conseguido al construir una cadena de tres puntos cuánticos acoplados en un gas electrónico bidimensional, lo que ha permitido demostrar características de los Majoranas que son esenciales para el estudio de los qubits basados en estos estados.
Los resultados de esta investigación han sido publicados en la revista Nature. Uno de los grandes retos en la computación cuántica es la inestabilidad inherente de los qubits. En la búsqueda de ordenadores cuánticos tolerantes a fallos, se espera que los qubits topológicos sean significativamente menos propensos a errores. La clave de estos qubits son los cuasipartículas llamadas estados ligados de Majorana, que se predijo que aparecerían en los extremos opuestos de sistemas superconductores unidimensionales.
Kitaev cadenas con tres átomos artificiales
El equipo de Delft ha retornado al modelo básico de Kitaev, que predijo la existencia de los Majoranas en el año 2000, para crear un sistema altamente controlado. Utilizando una técnica que permite construir el sistema «bloque a bloque», han desarrollado una cadena de átomos artificiales, denominados puntos cuánticos (QDs). Este enfoque les ha permitido ingenierar estados ligados de Majorana de forma sistemática y determinista.
A lo largo de los últimos años, gracias a un esfuerzo conjunto entre teóricos y equipos experimentales en diversas plataformas materiales, la investigación en QuTech ha avanzado significativamente en la comprensión de estas cadenas de Kitaev. Desde el estudio de cadenas de dos sitios en nanocables y gases electrónicos bidimensionales (2DEGs), ahora se ha logrado extender estas cadenas y entender cómo evolucionan las propiedades de los Majoranas.
El primer autor, Bas ten Haaf, ha señalado que, al ajustar cuidadosamente la forma en que interactúan los puntos cuánticos, se pudo observar claramente que los Majoranas emergen simultáneamente en los extremos izquierdo y derecho del sistema, y no en el centro. La estabilidad de los qubits topológicos depende de la presencia de un «gap» o separación «bulk», que separa físicamente los dos estados ligados de Majorana y evita que se «aniquilen» entre sí. En el modelo del equipo de Delft, el punto cuántico central actúa como un «gap» ajustable que puede ser presente o retirado selectivamente.
Ten Haaf ha comentado: «Cuando eliminamos este gap, los estados ligados de Majorana en los puntos cuánticos exteriores ya no son estables, exactamente como predijo Kitaev.» Si bien en investigaciones anteriores se han reportado firmas de estados ligados de Majorana, este es el primer trabajo que utiliza un sistema de modelo mínimo para sondear simultáneamente lo que ocurre a la izquierda, en el medio y a la derecha del sistema.
Además, los autores han utilizado su control sobre el sistema para mostrar que la ubicación de los Majoranas puede trasladarse de un QD a otro. Esta capacidad de mover los Majoranas es crucial para la computación cuántica topológica. En esta tecnología tan esperada, las posiciones de los Majoranas se intercambian para crear patrones de trenzado intrincados que codifican información de una manera robusta contra errores aleatorios.
El equipo de Delft planea añadir más puntos cuánticos para poder intercambiar efectivamente las posiciones de dos Majoranas. «Una forma en T hecha de seis puntos cuánticos nos permitirá probar operaciones de trenzado y crear un qubit básico», explica Goswami. «No será el mejor qubit, pero permitirá el estudio de las propiedades fundamentales de los Majoranas».
Goswami concluye: «Lo que me fascina mucho más que construir un ordenador cuántico con nuestros puntos cuánticos, es descubrir cómo funcionan estos Majoranas y qué podemos hacer con ellos. ¿Cómo interactúan? ¿Cómo se acoplan? Estas son las cosas que estamos intentando descubrir.»
