Uma equipe de pesquisadores da Brown University mostrou um novo método de sondar as propriedades de anyons, estranhas quasipartículas que poderiam ser úteis em futuros computadores quânticos.
Em uma pesquisa publicada na revista Physical Review Letters, a equipe descreve um meio de sondar os ânions medindo as propriedades sutis da maneira como conduzem o calor. Enquanto outros métodos sondam essas partículas usando carga elétrica, este novo método permite aos pesquisadores sondar anyons, mesmo em materiais não condutores. Isso é crítico, dizem os pesquisadores, porque os sistemas não condutores têm requisitos de temperatura muito menos rigorosos, o que os torna uma opção mais prática para a computação quântica.
“Temos belas maneiras de sondar anyons usando carga, mas a questão é como detectá-los nos sistemas de isolamento que seriam úteis no que é conhecido como computação quântica topológica”, disse Dima Feldman, professora de física da Brown e co -autor. “Nós mostramos que isso pode ser feito usando condutância de calor. Essencialmente, este é um teste universal para anyons que funciona em qualquer estado da matéria.”
Anyons são interessantes porque não seguem as mesmas regras que as partículas no mundo tridimensional cotidiano. Em três dimensões, existem apenas dois grandes tipos de partículas: bósons e férmions. Os bósons seguem o que é conhecido como estatísticas de Bose-Einstein, enquanto os férmions seguem as estatísticas de Fermi-Dirac. De modo geral, esses diferentes conjuntos de regras estatísticas significam que, se um bóson orbita em torno de outro em um sistema quântico, a função de onda da partícula – a equação que descreve totalmente seu estado quântico – não muda. Por outro lado, se um férmion orbita em torno de outro férmion, o valor de fase de sua função de onda muda de um inteiro positivo para um inteiro negativo. Se orbitar novamente, a função de onda retorna ao seu estado original.
Os Anyons, que surgem apenas em sistemas confinados a duas dimensões, não seguem nenhuma das regras. Quando um anyon orbita outro, sua função de onda muda em alguma fração de um inteiro. E outra órbita não restaura necessariamente o valor original da função de onda. Em vez disso, ele tem um novo valor – quase como se a partícula mantivesse uma “memória” de suas interações com a outra partícula, embora tenha terminado de volta ao ponto de partida.
Essa memória de interações passadas pode ser usada para codificar informações de uma forma robusta, razão pela qual as partículas são ferramentas interessantes para a computação quântica. Os computadores quânticos prometem realizar certos tipos de cálculos que são virtualmente impossíveis para os computadores de hoje. Um computador quântico que usa anyons – conhecido como computador quântico topológico – tem o potencial de operar sem a correção de erros elaborada, o que é um grande obstáculo na busca por computadores quânticos utilizáveis.
Mas usar anyons para computação requer primeiro ser capaz de identificar essas partículas investigando suas estatísticas quânticas. No ano passado, os pesquisadores fizeram isso pela primeira vez usando uma técnica conhecida como interferometria de carga. Essencialmente, os anyons são girados em torno uns dos outros, fazendo com que suas funções de onda interfiram umas com as outras ocasionalmente. O padrão de interferência revela as estatísticas quânticas das partículas. Essa técnica de sondar anyons usando carga funciona perfeitamente em sistemas que conduzem eletricidade, dizem os pesquisadores, mas não pode ser usada para sondar anyons em sistemas não condutores. E os sistemas não condutores têm o potencial de ser úteis em temperaturas mais altas do que os sistemas condutores, que precisam estar próximos do zero absoluto. Isso os torna uma opção mais prática de computação quântica topológica.
Para esta nova pesquisa, Feldman, que em 2017 fez parte de uma equipe que mediu pela primeira vez a condutância térmica de anyons, colaborou com o aluno de graduação da Brown Zezhu Wei e Vesna Mitrovic, professora de física e experimentalista da Brown. Wei, Feldman e Mitrovic mostraram que comparar propriedades de condutância de calor em sólidos bidimensionais gravados em geometrias muito específicas poderia revelar as estatísticas dos anyons nesses sistemas.
“Qualquer diferença na condutância do calor nas duas geometrias seria uma prova fumegante de estatísticas fracionárias”, disse Mitrovic. “O que este estudo faz é mostrar exatamente como as pessoas devem configurar experimentos em seus laboratórios para testar essas estatísticas estranhas.”
Em última análise, os pesquisadores esperam que o estudo seja um passo para entender se o comportamento estranho de anyons pode de fato ser aproveitado para computação quântica topológica.
Publicado em 27/10/2021 09h38
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