O dispositivo quântico proposto pode realizar sucintamente partículas emergentes, como o Fibonacci anyon

Muito antes do Dr. Jukka Vayrynen ser professor assistente no Departamento de Física e Astronomia de Purdue, ele era um pós-doutorando investigando um modelo teórico com partículas emergentes em um ambiente de matéria condensada. Assim que chegasse a Purdue, ele pretendia expandir o modelo, esperando que fosse relativamente fácil. Ele deu os cálculos aparentemente simples para Guangjie Li, um estudante de pós-graduação que trabalhava com Vayrynen, mas os cálculos renderam um resultado inesperado. Esses resultados foram um obstáculo surpreendente que quase interrompeu sua pesquisa. A tenacidade da equipe pegou esse obstáculo e o transformou em uma rota possível para o desenvolvimento da computação quântica.

No Aspen Center for Physics, no Colorado, Vayrynen discutiu o assunto com um colega do Weizmann Institute of Science, em Israel, Dr. Yuval Oreg, que ajudou a contornar o obstáculo. A equipe usou esse novo entendimento de seus cálculos para propor um dispositivo quântico que poderia ser testado experimentalmente para realizar sucintamente partículas emergentes, como o Fibonacci anyon. Eles publicaram suas descobertas, “efeito Kondo topológico multicanal”, em Cartas de revisão física em 10 de fevereiro de 2023.

A teoria da matéria condensada é um campo da física que estuda, por exemplo, as propriedades de sistemas quânticos eletrônicos, com aplicações em tecnologias como supercondutores, transistores ou dispositivos de computação quântica. Um dos desafios nesse campo é entender o comportamento da mecânica quântica de muitos elétrons, também conhecido como o “problema de muitos corpos”. É um problema porque só pode ser modelado teoricamente em casos muito limitados. No entanto, mesmo nesses casos limitados, fenômenos emergentes ricos, como excitações coletivas ou “quase”-partículas emergentes com carga fracionária, são conhecidos por emergir. Esses fenômenos são resultado das complexas interações entre os elétrons e podem levar ao desenvolvimento de novos materiais e tecnologias.

“Em nosso artigo, propomos um dispositivo quântico que é simples o suficiente para ser modelado teoricamente e testado experimentalmente no futuro, mas também complexo o suficiente para exibir partículas emergentes não triviais”, diz Vayrynen. “Nossos resultados indicam que o dispositivo proposto pode realizar uma partícula emergente chamada Fibonacci anyon, que pode ser usada como bloco de construção de um computador quântico. O dispositivo é, portanto, um candidato promissor para o desenvolvimento da tecnologia de computação quântica.”

Essa descoberta pode ser usada em futuros computadores quânticos de uma maneira que permita torná-los mais resistentes à decoerência, também conhecida como ruído.

De acordo com a publicação, a equipe introduziu uma generalização de canal N motivada fisicamente de um modelo Kondo topológico. Partindo do caso mais simples N = 2, eles conjecturam um ponto fixo de acoplamento intermediário estável e avaliam a entropia de impureza de baixa temperatura resultante. A entropia de impureza indica que um anyon de Fibonacci emergente pode ser realizado no modelo N = 2.

De acordo com Li, “um Fibonacci anyon é uma partícula emergente com a propriedade de que conforme você adiciona mais partículas ao sistema, o número de estados quânticos cresce como a sequência de Fibonacci, 1, 2, 3, 5, 8, etc. Em nosso No sistema, um pequeno dispositivo quântico é conectado a condutores de elétrons de condução que irão bloquear excessivamente o dispositivo e podem resultar em um Fibonacci emergente a qualquer momento.”

A equipe também fornece uma série de previsões que podem ser testadas experimentalmente em futuros dispositivos quânticos.

“Nós avaliamos a entropia de impureza de temperatura zero e a condutância para obter assinaturas experimentalmente observáveis ​​de nossos resultados. No limite de N grande, avaliamos a função cruzada completa que descreve a condutância dependente da temperatura”, diz Vayrynen.

Esta pesquisa é a primeira de uma série na qual a equipe Purdue de Li e Vayrynen trabalhará. Eles colaboraram com um cientista sênior do Max Planck Institute for Solid State Research na Alemanha, Dr. Elio König, e publicaram um trabalho relacionado, “Topological Symplectic Kondo Effect”, em uma pré-impressão arXiv (2210.16614) em 20 de outubro de 2022.

Esta pesquisa foi baseada no trabalho apoiado pelo Centro de Ciência Quântica, um Centro Nacional de Pesquisa em Ciência da Informação Quântica do Departamento de Energia dos EUA, com sede no Oak Ridge National Laboratory do DOE. O Dr. Yong Chen, professor Karl Lark-Horovitz de Física e Astronomia e professor de Engenharia Elétrica e de Computação, faz parte do Conselho Consultivo de Governança do QSC, e Purdue é um dos principais parceiros do centro.

Com informações de Science Daily.