Acelerar la llegada de computadoras cuánticas tolerantes a fallas con materiales de próxima generación
Joseph P. Carroll Supervising Operations en uno de los Microscopio de Túnel de Túnel de escaneo de Andree Group de Davis (STM). Crédito: Catherine Dawson, Davis Group.
Un estudio de investigación dirigido por la Universidad de Oxford ha desarrollado una nueva técnica poderosa para encontrar la próxima generación de materiales necesarios para la computación cuántica tolerante a fallas a gran escala. Esto podría terminar una búsqueda de décadas de materiales económicos que pueden alojar partículas cuánticas únicas, facilitando en última instancia la producción en masa de computadoras cuánticas.
Los resultados se han publicado en la revista Science.
Las computadoras cuánticas podrían desbloquear una potencia computacional sin precedentes mucho más allá de las supercomputadoras actuales. Sin embargo, el rendimiento de las computadoras cuánticas es actualmente limitado, debido a las interacciones con el entorno degradación de las propiedades cuánticas (conocidas como decoherencia cuántica). Los físicos han estado buscando materiales resistentes a la decoherencia cuántica durante décadas, pero la búsqueda ha demostrado ser desafiante experimentalmente.
En este nuevo estudio, los investigadores del Grupo Davis en la Universidad de Oxford han demostrado una nueva técnica altamente efectiva para identificar dichos materiales, denominados superconductores topológicos.
Un superconductor topológico es una forma sin precedentes de materia cuántica que puede albergar partículas cuánticas exóticas denominadas fermiones de Majorana.
En teoría, estas partículas pueden almacenar información dentro de su forma y estructura (topología), en lugar de cómo suelen hacerlo, dentro del estado de la partícula misma. Esto significa que la información es más estable y no se ve afectada por las perturbaciones locales como el desorden y el ruido.
Como consecuencia, pueden almacenar información cuántica de forma permanente, sin que esto sea degradado por los efectos de decoherencia cuántica que limitan las computadoras cuánticas de corriente.
Hasta ahora, no ha habido una técnica efectiva para determinar definitivamente si un material superconductor dado puede ser la plataforma para la computación cuántica topológica avanzada.
En este nuevo estudio, los investigadores de Oxford verificaron que la ditellurida de uranio superconductor conocida (UTE 2) es un superconductor topológico intrínseco.
Desde su descubrimiento en 2019, UTE2 había sido considerado el material candidato principal para la superconductividad topológica intrínseca. Se creía que los pares de electrones en UTE2 eran muy inusuales con sus giros alineados, una condición necesaria para la superconductividad topológica intrínseca y, por lo tanto, los estados de superficie superconductores topológicamente protegidos. Sin embargo, ninguna investigación había demostrado definitivamente estos fenómenos en Ute2, hasta ahora.
Los investigadores utilizaron un microscopio de túnel de barrido (STM), que utiliza una sonda superconductora atómicamente nítida para obtener imágenes de resolución ultra alta a la escala atómica, sin usar luz o vigas de electrones. Los experimentos utilizaron un modo operativo completamente nuevo inventado por el profesor Séamus Davis (llamado técnica Andreev STM).
Este método está específicamente sintonizado solo a los electrones en un estado cuántico especial (estado de superficie topológico) que se predice que cubrirá la superficie de los superconductores topológicos intrínsecos.
Cuando se implementó, el método se realizó exactamente como sugirió la teoría, lo que permite a los investigadores no solo detectar el estado de superficie topológico sino también identificar la superconductividad topológica intrínseca del material.
Los resultados indicaron que UTE2 es de hecho un superconductor topológico intrínseco, pero no exactamente el tipo que los físicos han estado buscando. Aunque, según los fenómenos informados, se cree que existen partículas cuánticas de Majorana en este material, ocurren en pares y no pueden separarse entre sí.
Sin embargo, la técnica experimental de Andreev STM utilizada es un avance en sí mismo. Esta nueva técnica ahora puede permitir a los físicos determinar con precisión y directamente si otros materiales albergan la superconductividad topológica intrínseca, a fin de proporcionar plataformas prometedoras para la computación cuántica topológica.
Los materiales superconductores topológicos intrínsecos siguen siendo un desafío profundo de encontrar y son en gran medida un concepto teórico en la actualidad, pero el campo avanza rápidamente. Los investigadores de todo el mundo están investigando activamente los posibles candidatos y tecnología necesarios para aprovechar sus propiedades.
A principios de este año, Microsoft anunció el Majorana 1, “la primera unidad de procesamiento cuántico del mundo impulsada por un núcleo topológico”, supuestamente alojando los qubits topológicos. Microsoft logró este dispositivo creando un superconductor topológico sintético basado en estructuras elaboradamente diseñadas hechas de superconductores convencionales.
Sin embargo, el nuevo trabajo del Grupo Davis significa que los científicos ahora pueden identificar materiales cristalinos simples para reemplazar los circuitos artificiales tan complicados y extremadamente costosos, lo que puede conducir a qubits topológicos económicos para la próxima generación de computación cuántica.
El profesor Séamus Davis (Departamento de Física, Universidad de Oxford) dijo: “La invención de la técnica Andreev STM, la detección del estado de la superficie topológica superconductora, la identificación de la superconductividad topológica intrínseca y la categorización precisa de los últimos, todos los primeros.
El autor principal, el Dr. Shuqiu Wang (entonces del Grupo Davis en Oxford, pero ahora profesor asistente en la Universidad de Bristol) dijo: “Es realmente emocionante ver la primera firma espectroscópica de superconductividad topológica intrínseca. Este gran descubrimiento científico solo se hace posible con nuestra técnica espectroscópica recién inventada.
“Espero descubrir superconductores topológicos más intrínsecos y su física fascinante y exótica que aún no se han revelado utilizando la técnica Andreev STM”.
El estudio también involucró a investigadores de la Universidad de California: Berkeley y Lawrence Berkeley National Laboratory, Cornell University, University of Bristol, University of Maryland, Washington University, University College Cork y University of Notre Dame.
Más información: Qiangqiang Gu et al, simetría de la función de onda de pares en UTE2 a partir de visualización de estado superficial de energía cero, ciencia (2025). Doi: 10.1126/science.adk7219. www.science.org/doi/10.1126/science.adk7219
Proporcionado por la Universidad de Oxford
Cita: Acelerar la llegada de computadoras cuánticas tolerantes a fallas con materiales de próxima generación (2025, 30 de mayo) Recuperado el 30 de mayo de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-05-fault-tolerant-quantum-genere-materials.html
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