Un passo in avanti nella computazione quantistica topologica
La cosa stessa che rende la computazione quantistica rivoluzionaria, ossia la sua dipendenza dalla capacità delle particelle subatomiche di esistere in più di uno stato in qualsiasi momento, è anche quella che la rende molto difficile da controllare. Effettuare dei calcoli più velocemente mentre si utilizza meno energia comporta lati negativi quali rumore ambientale ed errori operativi, a un livello molto più grave rispetto alla computazione classica. In effetti, questo è uno dei principali ostacoli sulla strada verso lo sfruttamento della computazione quantistica. La correzione dell’errore quantistico può consentire una computazione quantistica a prova di guasto per sistemi quantici sufficientemente isolati e porte quantistiche sufficientemente precise. Ma, come afferma il dottor Carmine Ortix dell’Istituto Leibniz per la ricerca sullo stato solido e i materiali di Dresda, i requisiti per fare ciò sono troppo rigidi. La scelta della computazione quantistica topologica, in cui bit quantistici sono topologicamente protetti dalla decoerenza, con i fermioni di Majorana per sostenerla sarebbe una soluzione nettamente migliore, ma non è esattamente semplice da realizzare. «Ci sono due complicazioni principali», afferma il dottor Ortix. «La prima è il bisogno di un notevole e reale accoppiamento spin-orbita, che riduce ampiamente il numero di possibili materiali candidati. La seconda è lo scarso controllo delle correlazioni di coppia nel superconduttore. Le coppie di Cooper sono introdotte nella regione non-superconduttrice con un forte accoppiamento spin-orbita per mezzo dell’effetto di prossimità, richiedendo pertanto un livello molto elevato di controllo nel processo e nella qualità di fabbricazione dell’interfaccia superconduttore-semiconduttore.» Con CNTQC, il dottor Ortix mirava a superare questi due problemi introducendo nuove piattaforme dove la generazione di stati vincolati di Majorana può essere regolata su richiesta. «La fattibilità di questo concetto è legata al fatto che le proprietà meccaniche quantistiche dei portatori di carica limitati a nanostrutture curve sono intrinsecamente differenti da quelle in una convenzionale nanostruttura piatta. Di conseguenza, anche le proprietà elettroniche, e pertanto di trasporto, sono molto differenti», egli spiega. La squadra di CNTQC ha dimostrato con successo che l’interazione tra gli effetti indotti dalla curvatura sulle proprietà elettroniche e la topologia dello stato fondamentale di un sistema a bassa dimensionalità è significativa. Ad esempio, la deformazione periodica di un nanofilo semiconduttore induce una transizione metallo-isolante, e definisce quindi un interruttore transistor nanoflex: «on» quando il nanofilo è piatto e «off» quando il nanofilo è curvato planarmente. «Per di più, le fasi isolanti sono dotate di una struttura topologica non trascurabile, che porta a un nuovo spettro a farfalla “frattale”», prosegue il dottor Ortix. «Abbiamo inoltre introdotto il concetto di controllo geometrico della forma della fase quantica-geometrica dello spin in anelli quantici semiconduttori deformati in modo ellittico con interazione Rashba spin-orbita. Le deformazioni della forma che producono una curvatura non uniforme causano complesse strutture di spin tridimensionali, che svelano il modo per ottenere un pieno controllo elettrico e geometrico dell’orientamento dello spin dell’elettrone. Per di più, queste strutture di spin geometricamente modulabili lasciano differenti schemi di interferenza Aharonov-Casher (AC) negli interferometri di spin.» Queste conclusioni indicano un enorme potenziale per nuovi concetti di dispositivi nel campo della spin-orbitronica, dove lo spin e il trasporto dell’elettrone sono controllati direttamente dalla geometria del sistema. Inoltre, il controllo geometrico della forma della fase geometrica dello spin potrebbe aprire la strada a future applicazioni spintroniche, come ad esempio il controllo di correnti costanti di spin. Nel complesso, CNTQC ha introdotto il concetto di magnetoresistenza anisotropa geometrica (GAMR) in nanostrutture tubolari curve aperte; ha previsto che un canale semiconduttore modellato in una forma a serpentina su scala mesoscopica possa fare da pompa di carica elettronica topologica una volta sottoposto a un debole campo magnetico rotante; ha creato una tecnica chiamata magnetometria basata sull’effetto Hall anomalo con zero compensazione che è in grado di migliorare la capacità delle ricerche sul trasporto effettuate in laboratorio nel fiorente campo della spintronica antiferromagnetica; ha ideato un elemento di memoria a temperatura ambiente, il primo di questo tipo, basato esclusivamente su antiferromagneti che può essere scritto usando un campo elettrico invece di una corrente; e ha migliorato l’imaging magnetico su scala mesoscopica. Sviluppando ulteriormente questi promettenti risultati, il consorzio CNTQC ha deciso di iniziare a sviluppare una tabella di marcia per lo sfruttamento futuro degli effetti indotti dalla curvatura nei nanosistemi. I risultati del progetto mostrano che la geometria curva di nuovi nanosistemi può essere usata per lanciare nuove funzionalità in cui giocherà un ruolo centrale la generazione in maniera controllata di stati vincolati di Majorana.
Parole chiave
CNTQC, computazione quantistica, fermione majorana
