Un nuevo diseño de nanocables híbridos podría acabar con uno de los principales problemas que dificultan la identificación de las partículas de Majorana en computación cuántica: los falsos positivos producidos por estados que imitan su señal eléctrica.
Un equipo del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC) ha demostrado teóricamente que una configuración alternativa de estos nanocables permite eliminar una de las principales fuentes de confusión en la búsqueda de los llamados modos cero de Majorana, estados cuánticos que podrían resultar fundamentales para desarrollar una computación cuántica más resistente a los errores.
El trabajo, publicado en la revista científica Physical Review Letters, propone utilizar nanocables híbridos en los que el material superconductor recubre completamente el semiconductor. Estos nanocables tienen un diámetro unas 10.000 veces menor que el de un cabello humano.
La importancia del resultado está en que esta geometría permite distinguir una señal producida por un Majorana genuino de la generada por uno de sus principales impostores, los llamados cuasi-Majoranas.
El problema: los falsos positivos de las partículas de Majorana
Durante décadas, la comunidad científica ha buscado los modos cero de Majorana, unos estados topológicos que pueden aparecer en los extremos de determinados nanocables semiconductores recubiertos de material superconductor.
Los semiconductores son materiales cuya capacidad para conducir electricidad depende de determinadas condiciones, mientras que los superconductores pueden transportar electricidad sin resistencia eléctrica y sin perder energía en forma de calor.
Estos sistemas son especialmente interesantes para la computación cuántica topológica porque los estados de Majorana podrían almacenar información cuántica de una manera intrínsecamente protegida frente a determinados errores.
“Dado que podrían almacenar información cuántica de una forma intrínsecamente protegida frente a errores, estos modos ofrecen una vía hacia ordenadores cuánticos altamente robustos”, explica Carlos Payá, investigador del ICMM-CSIC y primer autor del trabajo.
El problema aparece cuando los investigadores intentan determinar experimentalmente si realmente han encontrado un estado de Majorana.
Una de las técnicas utilizadas es la Espectroscopía de Efecto Túnel, mediante la que se sondea eléctricamente uno de los extremos del nanocable. Los científicos buscan entonces un pico característico de conductancia a voltaje cero. Pero esa señal no demuestra por sí sola que exista un Majorana.
“Normalmente, los estados de Majorana se han buscado a través de una técnica llamada Espectroscopía de Efecto Túnel, en la que se sondea eléctricamente un extremo del cable y se busca un pico característico a voltaje cero en su conductancia. El problema es que unos estados impostores, conocidos como cuasi-Majoranas, producen exactamente el mismo tipo de pico a pesar de ser topológicamente triviales”, explica Elsa Prada, investigadora del ICMM-CSIC e investigadora principal del estudio.
Es precisamente esta similitud la que ha complicado durante años la confirmación experimental de los estados de Majorana.
Qué son los cuasi-Majoranas y por qué dificultan la investigación
Los cuasi-Majoranas son estados que pueden generar una señal prácticamente indistinguible de la que se espera de un Majorana en determinados experimentos, aunque no poseen las propiedades topológicas que hacen tan interesantes a los verdaderos estados de Majorana.
La existencia de estos estados impostores fue demostrada hace unos años por investigadores del propio ICMM-CSIC y puso de manifiesto una dificultad fundamental: observar un pico de conductancia a voltaje cero no basta para confirmar que se ha encontrado un estado de Majorana.
Resolver esta ambigüedad es especialmente importante porque la identificación inequívoca de estos estados constituye un paso necesario hacia el desarrollo de qubits topológicos, una de las propuestas para construir ordenadores cuánticos más robustos frente a errores.
Un superconductor que envuelve completamente el nanocable
El nuevo trabajo propone cambiar la arquitectura de los nanocables híbridos utilizados para buscar estos estados.
En lugar de recubrir únicamente algunas caras del semiconductor con material superconductor, los investigadores plantean que el superconductor forme un tubo completo alrededor del semiconductor.
Esta configuración recibe el nombre de full-shell y modifica de forma decisiva el comportamiento del sistema cuando se aplica un campo eléctrico.
“En estos nanocables de recubrimiento completo (full-shell, en inglés), el mismo campo eléctrico que genera impostores crea simultáneamente una capa electrónica en el extremo del cable, desplazando a los cuasi-Majoranas fuera del alcance de la sonda”, detallan Pablo San-Jose y César Robles, coautores del trabajo.
La consecuencia es que la sonda eléctrica deja de detectar esos estados impostores en las condiciones analizadas. “En consecuencia, un pico estable a voltaje cero medido en una geometría full-shell no puede provenir de un cuasi-Majorana”, señala Payá.
De esta manera, el diseño propuesto proporciona una vía para reducir una de las principales fuentes de falsos positivos que han dificultado la búsqueda experimental de los estados de Majorana.
Un paso hacia los qubits topológicos
Los resultados son relevantes porque los estados de Majorana constituyen uno de los elementos propuestos para desarrollar qubits topológicos, una arquitectura de computación cuántica que busca proteger la información frente a determinados errores aprovechando las propiedades topológicas del sistema.
La ventaja potencial es especialmente importante en computación cuántica, donde la fragilidad de los estados cuánticos constituye uno de los grandes obstáculos para construir máquinas capaces de realizar cálculos complejos de forma fiable.
Sin embargo, los investigadores subrayan que todavía existe una diferencia entre identificar de forma más fiable una señal compatible con un Majorana y demostrar que se dispone de un sistema capaz de realizar computación cuántica topológica.
“La prueba definitiva de un Majorana es, en cualquier caso, hacer computación cuántica con ellos y comprobar que es topológico”, añade Payá.
El trabajo publicado en Physical Review Letters proporciona, por tanto, una base teórica para orientar futuros experimentos con nanocables híbridos y reducir una de las incertidumbres que hasta ahora complicaban la interpretación de sus señales.
El siguiente desafío será comprobar experimentalmente las predicciones y determinar hasta qué punto esta arquitectura full-shell permite identificar de manera inequívoca los estados de Majorana y avanzar hacia qubits topológicos funcionales.
