Nodos de Majorana en el encaje cuántico: una nueva plataforma para qubits topológicos ✛ ✎ ✦

La creación de un ordenador cuántico capaz de resolver problemas inaccesibles para las máquinas clásicas requiere qubits fiables. Una de las ideas más elegantes es usar como qubits los modos cero de Majorana: excitaciones fantasmales que recuerdan sus caminos entrelazados y no se perturban por el ruido térmico. Estas partículas fantasma fueron predichas en 1937, pero solo en 2001 Alexei Kitaev mostró cómo «tejerlas» a partir de una cadena unidimensional con superconductividad inusual. El problema es que la auténtica superconductividad de onda p casi no se encuentra en la naturaleza. Los físicos se asemejaron a tejedores a quienes les dieron seda pero no el telar — el material existe, pero el patrón no se forma.

Un nuevo giro llegó con el descubrimiento de los aislantes topológicos superiores. Estos cristales se asemejan a un encaje tridimensional: su volumen interior se comporta como un dieléctrico, las superficies también están recubiertas con una película aislante, pero en las bisagras —las aristas del cristal— fluyen corrientes quirales unidimensionales, como hilos que bordan el borde de la materia. Estos estados de bisagra por sí mismos son cables listos para electrones de quiralidad fija, pero no sienten сверхпроводимость. Los investigadores encontraron la manera de hacerlos «bailar» en pareja.

Tomemos un cristal de aislante topológico superior quiral y hagámoslo delgado, casi bidimensional, de apenas un par de capas atómicas. Entonces los hilos de bisagra opuestos se acercan y comienzan a influirse mutuamente — esto recuerda al tejido de encaje: cuando dos hilos se acercan mucho, su entrelazado genera un nuevo patrón, más resistente y hermoso que cada uno por separado. Así, dos hilos de bisagra opuestos se entrelazan en canales helicoidales en los bordes de la muestra. Ahora agreguemos un superconductor ordinario de onda s como recubrimiento. A través del efecto de proximidad, el сверхпроводящее спаривание penetra en los canales helicoidales, pero debido a su estructura especial, se comporta como una superconductividad efectiva de onda p — justo la necesaria para los modos de Majorana. Y entonces en cada extremo de los canales, en las cuatro esquinas del cristal, aparecen modos cero de Majorana entrelazamiento cuántico — uno por esquina. Estos guardianes esquineros están protegidos por la topología y residen en un profundo hueco energético, como joyas engastadas. Curiosamente, justo cuatro modos es el conjunto mínimo para un qubit lógico topológicamente protegido, capaz de resistir errores sin corrección continua.

Lo especialmente valioso es que el sistema no es caprichoso. Un desorden moderado, inevitable en cualquier muestra real, no destruye los estados de Majorana, solo los desplaza ligeramente en energía. Esto da esperanza de realización experimental en materiales ya conocidos, como el aislante topológico magnético MnBi2Te4, donde recientemente se detectaron corrientes de bisagra. Así, el encaje cristalino se convierte en un tejido funcional para computadora cuántica y el procesamiento de información cuántica. Los cuatro modos de Majorana localizados pueden trenzarse en trenzas, realizando operaciones lógicas, y su estadística no abeliana sirve como protección contra la decoherencia cuántica — el principal enemigo de los computadores. Frank Wilczek ya soñaba en los años 80 con tales anyones; ahora sus fantasmas se materializan en las esquinas.

Adelante queda el modelado detallado de la estructura de bandas de compuestos reales y el desarrollo de esquemas de detección mediante microscopía de efecto túnel de barrido, que permitirá realizar medición cuántica de estos estados. El siguiente paso lógico es crear redes enteras de modos de Majorana, donde se podrán ejecutar algoritmo cuántico protegidos a nivel de «hardware». Por ahora es una exoticidad de laboratorio, pero cada trabajo exitoso acerca el día en que el ordenador cuántico deje de ser un juguete para unos pocos elegidos. Y quizá la clave sea un encaje hábilmente tejido con hilos topológicos.