A chamada computação quântica topológica evitaria muitos dos problemas que impedem os computadores quânticos de grande escala. Mas erros de grande visibilidade levaram alguns especialistas a questionar se o campo está se enganando.
Em 2018, pesquisadores na vanguarda de uma abordagem inteiramente nova para a construção de computadores quânticos publicaram, na revista Nature, o que parecia ser uma conquista histórica. Os computadores quânticos existentes são notoriamente frágeis, seus bits quânticos – qubits – propensos a incorrer em erros aleatórios. Mas se os qubits pudessem ser feitos a partir de configurações estranhas de elétrons com o nome exótico de quasipartículas de modo zero de Majorana (MZM), erros simplesmente não poderiam ocorrer. Um qubit MZM não pode sofrer um erro aleatório mais do que você pode separar os elos de uma cadeia sem cortá-los – os princípios básicos da topologia, a matemática da forma, protege contra isso.
Esses qubits “topológicos” são extremamente difíceis de construir, mas apesar dos desafios técnicos, alguns pesquisadores estão convencidos de que eles são o único caminho para construir um computador quântico útil com muitas centenas ou milhares de qubits. A Microsoft, por exemplo, está apostando sua principal estratégia de computação quântica em qubits topológicos.
Essa é uma das razões pelas quais o jornal da Nature de 2018 atraiu tanta atenção. Uma equipe liderada por Leo Kouwenhoven, físico da Universidade de Tecnologia de Delft, na Holanda, disse ter encontrado a assinatura definitiva das quasipartículas MZM em nanofios de antimonídeo de índio. O artigo deles foi anunciado, com muita fanfarra da imprensa, como o alvorecer da computação quântica topológica. Em 2019, a Microsoft abriu seu próprio laboratório quântico no campus de Delft, com Kouwenhoven como diretor.
Então as coisas começaram a desmoronar. Mais tarde naquele ano, Sergey Frolov, um físico da Universidade de Pittsburgh, e seu colaborador Vincent Mourik, da Universidade de New South Wales, na Austrália, estavam fazendo um trabalho semelhante em seus próprios laboratórios. (Frolov e Mourik são ex-membros do grupo de Kouwenhoven.) Frolov e Mourik descobriram que não podiam reproduzir os resultados de Delft. Naquele mês de outubro, a dupla pediu ao grupo de Kouwenhoven seus dados brutos e, em dezembro, eles encontraram algumas inconsistências estranhas: parecia que algumas das parcelas haviam sido manipuladas e as afirmações do jornal não foram confirmadas quando toda a gama de medições foi feita em consideração.
Diante desses problemas, o grupo de Kouwenhoven replantou seus dados e descobriu que as conclusões não se sustentavam mais. Em março de 2021, a pedido de Kouwenhoven, a Nature retirou o artigo. O grupo escreveu em sua retratação que “não poderia mais reivindicar a observação de uma condutância quantizada de Majorana”. Eles acrescentaram um pedido de desculpas “por rigor científico insuficiente em nosso manuscrito original”.
O incidente desencadeou uma investigação por um comitê independente. A investigação concluiu que não havia evidências de fabricação ou manipulação fraudulenta de dados. Os autores simplesmente se enganaram ao ampliar apenas os resultados que mostravam o que esperavam ver. “O programa de pesquisa que os autores iniciaram é particularmente vulnerável ao autoengano, e os autores não se protegeram contra isso”, escreveram os autores do relatório.
“Foi um infeliz incidente de excesso de zelo combinado com descuido”, disse Patrick Lee, físico do Instituto de Tecnologia de Massachusetts e membro do comitê.
A retração, junto com outros exemplos recentes de alto perfil de trabalhos relacionados que desmoronaram sob uma inspeção mais detalhada, expôs um desafio adicional no coração da pesquisa de computação quântica topológica: não apenas é extremamente difícil construir um qubit topológico, mas ninguém é a certeza de como identificar um. As regras quânticas que levam a quasipartículas MZM também permitem a criação de outros estados quânticos estranhos – estados que imitam partículas de Majorana, mas não podem ser usados como base para um computador quântico.
Por causa desses e de outros obstáculos, o campo da computação quântica topológica entrou em um período de autorreflexão, se não de crise total. “Fiquei preocupado com o fato de que, após uma série de falsos inícios, uma fração significativa do campo de Majorana está se enganando”, escreveu Frolov em um comentário na Nature em abril. No entanto, apesar desse problema, mesmo os críticos da área acham a ciência muito promissora para ignorar. “A física por trás da criação de Majoranas é bem compreendida teoricamente”, disse Frolov em uma entrevista. “Normalmente, quando isso acontece na física da matéria condensada, a realização física não fica muito atrás. Estou bastante confiante de que nos próximos dois anos, um ou mais grupos encontrarão fortes evidências para eles. ”
O poder dos pares
Os modos zero de Majorana exemplificam a maneira como os elétrons em materiais condutores podem se mascarar como diferentes tipos de partículas, com diferentes cargas, massas, mobilidade e comportamento coletivo. Eles são “partículas efetivas emergentes feitas de elétrons”, disse Charlie Marcus, físico do Instituto Niels Bohr e diretor do laboratório quântico da Microsoft em Copenhagen. É mais ou menos como podemos descrever a atividade econômica como interações de empresas inteiras, e não das pessoas que as compõem.
Talvez o exemplo mais conhecido de uma quasipartícula de elétron seja o responsável pela supercondutividade, onde alguns metais e outros materiais em temperaturas muito baixas conduzem eletricidade com resistência zero. No estado supercondutor mais simples, os elétrons parecem formar pares como os chamados quasipartículas de pares de Cooper. Mesmo que eles possam estar amplamente separados no espaço, os elétrons em um par de Cooper agem como uma única partícula conforme se movem através do material. Este emparelhamento tem uma consequência crucial: os pares de Cooper podem ocupar o mesmo estado quântico de menor energia, separados do próximo estado por uma lacuna de energia que as quasipartículas não podem saltar. Como resultado, os pares de Cooper não podem ser facilmente espalhados em um estado quântico diferente por colisões com átomos na estrutura cristalina do material, então eles se movem sem qualquer resistência. Você pode dizer que as quasipartículas são feitas de elétrons protegidos de espalhamento.
MZMs são um tipo diferente de quasipartícula de elétrons. Prevê-se que eles apareçam em um material, como um semicondutor, que tem uma lacuna de energia quando os elétrons se emparelham de maneira diferente. Um dos sistemas mais simples previstos para mostrar esse comportamento, proposto pela primeira vez pelo físico Alexei Kitaev no início dos anos 2000, é uma cadeia unidimensional de elétrons. Em temperaturas muito baixas, os elétrons podem se emparelhar com seus vizinhos para se tornarem supercondutores. Mas os elétrons em cada extremidade da cadeia têm apenas metade dos parceiros. Eles se tornam duas metades de uma única quase-partícula, amplamente separadas no espaço. Esta quase partícula pode ser considerada como existindo bem no meio da lacuna de energia, precisamente com energia zero – daí o “modo zero”.
O ponto crucial sobre as quasipartículas de modo zero é que cada uma é composta dos estados do elétron em ambas as extremidades. Portanto, você não pode descobrir nada sobre isso, ou perturbá-lo, sondando apenas uma extremidade. Se os dois estados finais pudessem de alguma forma ser reunidos no espaço, eles se fundiriam para produzir um elétron ou nada – um estado de vácuo. Enquanto eles estão separados, eles estão em uma espécie de superposição quântica de ambos os estados. Portanto, um MZM pode atuar como um bit de dois estados para codificar informações quânticas: um qubit.
O fato de as duas metades de uma quasipartícula MZM não poderem se fundir em nada – um vácuo vazio – explica seu nome. Essa auto-aniquilação é como a de um par de partículas e antipartículas, exceto que aqui os dois membros do par são idênticos. Partículas fundamentais hipotéticas que são suas próprias antipartículas foram propostas como uma possibilidade pelo físico italiano Ettore Majorana, trabalhando no grupo de Enrico Fermi em Roma, em 1937. Nenhuma partícula desse tipo jamais foi vista. Os MZMs são seus equivalentes de quase-partículas, ilustrando como os comportamentos das partículas vistas ou sugeridas na física de alta energia agora estão aparecendo em materiais governados por leis quânticas.
O problema é que não apenas ninguém jamais fez um qubit MZM, como ninguém mostrou de forma convincente a existência de até mesmo uma quasipartícula MZM.
The Escape Artist
O primeiro relato de avistamento de Majoranas em nanofios veio em 2012 da equipe de Kouwenhoven em Delft. Olhando para trás, foi um primeiro sinal de como seria difícil estabelecer evidências inequívocas dessas quasipartículas elusivas.
Para procurar MZMs, os pesquisadores geralmente aplicam uma voltagem a fios em nanoescala feitos de material semicondutor conectado a um supercondutor. Eles marcam cuidadosamente a condutância através do fio. Se ele contém MZMs, então conforme a tensão muda, a condutância deve aumentar em etapas quantizadas discretas e atingir o pico precisamente na tensão zero – a energia correspondente ao modo zero.
O artigo de Kouwenhoven de 2012 relatou que eles descobriram esse “pico de polarização zero”, mas outros pesquisadores logo começaram a se preocupar que o sinal não era exclusivo de Majoranas. Por exemplo, Eduardo Lee, um físico agora na Universidade Autônoma de Madrid, e colegas de trabalho mostraram em 2013 que tal sinal poderia ser imitado pelo que são conhecidos como estados vinculados de Andreev (ABSs) na lacuna de energia onde se pensa que os MZMs sentar. Então, no início deste ano, Marco Valentini do Instituto de Ciência e Tecnologia em Klosterneuburg, Áustria, e colegas repetiram experimentos como os de Delft e mostraram que este sistema exibe um pico de polarização zero devido a um tipo específico de ABS chamado Yu-Shiba -Estado de Rusinov – uma quasipartícula que também aparece com energia zero, mas não pode ser usada para fazer um qubit topológico.
Esses falsos positivos têm dominado o campo. Além do artigo retratado de Kouwenhoven de 2018, os céticos apontam para outros exemplos onde alegados avistamentos de MZMs não foram replicados. Em março de 2020, Marcus e colegas relataram evidências na Science que os autores disseram ser “consistente com o surgimento dos modos zero de Majorana”. Mas então, no final de julho de 2021, o jornal publicou uma “expressão editorial de preocupação” sobre se os dados usados no estudo eram totalmente representativos. O Instituto Niels Bohr lançou uma investigação independente sobre a pesquisa. Marcus e seus colegas estão por trás do artigo original.
O problema, de acordo com críticos como Frolov, é que as partículas de Majorana não são necessárias para produzir os sinais que estão sendo vistos. “Mesmo assim, artigos afirmativos continuavam saindo sem nem mesmo mencionar explicações alternativas”, escreveu ele em sua crítica à Nature. Ele acusa os pesquisadores de escolherem seus dados e pede mais abertura para compartilhá-los. Ele identificou cinco assinaturas diagnósticas de Majoranas. A maioria dos jornais que afirmam ter avistado desde 2012 mostram apenas um ou dois deles, disse ele – mas nenhum mostra todos eles.
No entanto, o verdadeiro problema, afirma Marcus, não são as afirmações prematuras, mas a dificuldade de verificação. Marcus quer fazer os melhores experimentos possíveis para ver se Majoranas existe, mas “nunca haverá um dia em que você diga: está provado!” ele disse. “Não é assim que funciona a física experimental. Sempre haverá algum cara inteligente por aí que disse: ‘Eu pensei em outra coisa! Não passa em todos os testes de Majorana! ‘Isso dura para sempre. ”
A questão então se torna: como você constrói um computador quântico a partir de algo que você não pode dizer com certeza que existe?
Informação Trançada
A chave para a computação quântica é que, durante a computação, você deve evitar revelar quais informações seus qubits codificam: se você olhar um bit e dizer que ele contém 1 ou 0, ele se torna apenas um bit clássico. Portanto, você deve proteger seus qubits de qualquer coisa que possa inadvertidamente revelar seu valor. (Mais estritamente, decida seu valor – pois na mecânica quântica isso só acontece quando o valor é medido.) Você precisa impedir que tais informações vazem para o ambiente.
Esse vazamento corresponde a um processo chamado decoerência quântica. O objetivo é realizar a computação quântica antes que ocorra a decoerência, uma vez que ela corromperá os qubits com erros aleatórios que destruirão a computação.
Os computadores quânticos atuais normalmente suprimem a decoerência isolando os qubits de seu ambiente da melhor maneira possível. O problema é que, à medida que o número de qubits se multiplica, esse isolamento se torna extremamente difícil de manter: a decoerência está fadada a acontecer e os erros aparecem. Portanto, para qualquer um dos computadores quânticos existentes, como os feitos pela IBM, Google e outros, em escala para grandes sistemas “exigirá claramente uma grande quantidade de correção de erro ativa”, disse Scott Aaronson, cientista da computação e teórico quântico da Universidade do Texas, Austin. As propostas atuais para fazer isso envolvem conectar um grande número de “qubits físicos” em um único “qubit lógico” com capacidade para correção de erros. Algumas estimativas sugerem que centenas ou mesmo milhares de qubits físicos seriam necessários para cada qubit lógico – um desafio técnico estonteante.
Kitaev percebeu que as quasipartículas de Majorana poderiam se tornar resistentes a erros – isto é, à decoerência – se as duas metades nas extremidades de uma cadeia de elétrons forem misturadas de modo que as informações codificadas em cada par de estados finais possam ser mantidas perfeitamente ocultas e podem não vaze inadvertidamente no meio ambiente para causar decoerência. Como essa confusão tece as trajetórias das partículas – seus “fios” de linha do tempo – é chamada de trança.
É assim que funciona a trança. Se você juntar duas quasipartículas de Majorana, elas entram em colapso para um estado de elétron ou vácuo. Quando isso acontecer, você saberá o que eles são – suas informações são reveladas. Mas agora suponha que muitos pares no modo Majorana se misturem como casais em uma quadrilha, trocando constantemente de parceiros enquanto mantêm uma distância social adequada. Enquanto a dança continuar, explica Marcus, “você nunca pode focar em um único Majorana e perguntar em que estado ele está – isto é, se ele se fundirá em um elétron ou no vácuo. Porque vai dizer: ‘Eu não sei, com quem estou dançando?’ “Com efeito, a trança garante que a informação nos pares de Majorana não seja mais localizada em qualquer um deles, mas seja tornada não local. Você nunca pode revelá-lo interrogando um deles.
“Enquanto eles ficarem longe um do outro e trocarem de parceiros, o jogo continua”, disse Marcus. “A genialidade de Kitaev foi dizer que, se a informação é armazenada não localmente, nenhuma medição local revela a informação. Isso prediz que essa coisa deve ser um qubit muito bom “- porque é protegido de incorrer em erros pela natureza topológica da trança.
Para realizar uma computação quântica com tais qubits MZM, você desloca os fios trançados de uma maneira especificada e, em seguida, reúne os pares para ver se eles se fundem para formar um elétron ou vácuo – essa é a leitura. Se isso for feito da maneira certa, ele executa o cálculo, livre de erros.
Essa computação quântica topológica resistente a erros usando MZMs é “um caminho desafiador, mas não impossível”, disse Lee. “A Microsoft se esforçou para fazer essa aposta, [mas] acho que vale a pena apostar.”
E se os físicos estão tendo uma dificuldade incrível para confirmar a existência de quasipartículas de MZM, talvez eles devam simplesmente abandonar essa etapa. No final, Marcus acha que os experimentalistas podem precisar parar de tentar fechar todas as brechas e simplesmente seguir em frente e tentar trançar o sistema para ver se um qubit robusto emerge. Afinal, quem se importa se é definitivamente um MZM ou alguma outra quase-partícula, desde que seja um bom qubit?
Na verdade, já existem propostas para o uso de outras quasipartículas como qubits também. Por exemplo, Christina Psaroudaki do Instituto de Tecnologia da Califórnia e Christos Panagopoulos da Universidade Tecnológica de Nanyang em Cingapura sugeriram que skyrmions – padrões semelhantes a vórtices na orientação de spins em um material magnético – podem oferecer outra maneira de codificar e manipular quantum topologicamente protegido em formação.
Mesmo que “as dificuldades em encontrar MZMs, ou mais geralmente em conseguir até mesmo os blocos de construção mais básicos da computação quântica topológica para trabalhar no laboratório, tenham sido claramente uma decepção para muitos no campo”, disse Aaronson, a esperança sobrevive. Ele tem certeza de que serão encontrados “mais cedo ou mais tarde”. Valentini concorda, apesar de ter mostrado que as assinaturas do MZM podem ser confundidas com outras quase-partículas. “Acredito fortemente que MZMs serão criados e detectados”, disse ele.
Mas Aaronson acrescenta que “se esta é uma abordagem viável para a computação quântica de forma mais ampla – e se ela vai vencer as abordagens concorrentes – ainda ninguém sabe”.
No início de 2018, na época em que a Nature publicou o artigo de computação topológica condenado, Todd Holmdahl, o vice-presidente da Microsoft então encarregado de seus esforços de computação quântica, previu que eles teriam um qubit topológico funcional até o final do ano, e um computador quântico comercial baseado na tecnologia daqui a cinco anos. Embora essas previsões agora pareçam extravagantemente otimistas, elas refletem o hype mais amplo que acompanhou a computação quântica nos últimos 10 anos. Abordagens mais tradicionais para computadores quânticos têm obtido certo grau de sucesso, mas ainda enfrentam enormes desafios de expansão. O melhor caminho para o futuro quântico há muito prometido permanece obscuro.
“Seria irresponsável da comunidade da física decidir agora que já conhecemos o único caminho”, disse Ady Stern, do Instituto Weizmann de Ciência em Rehovot, Israel. “Estamos na página 10 de um thriller e estamos tentando adivinhar como isso vai acabar.”
Publicado em 02/10/2021 22h41
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