Investigadores desarrollan una teoría que explica cómo se forman y emparejan las cuasipartículas en algunos de los estados Hall fraccionarios más complejos, un avance que podría acelerar el desarrollo de la computación cuántica tolerante a fallos.
La física cuántica acaba de dar un nuevo paso para comprender uno de sus fenómenos más intrigantes.
Un equipo de investigadores de la Universidad de Colonia (Alemania) y del Instituto Weizmann de Ciencias (Israel) ha desarrollado un marco teórico capaz de describir algunos de los estados Hall cuánticos fraccionarios más difíciles de explicar hasta ahora.
El estudio, publicado en la revista Physics, se centra en los llamados estados Hall de denominador par, una familia de estados cuánticos que podría albergar cuasipartículas no abelianas, consideradas una de las bases más prometedoras para construir futuros ordenadores cuánticos resistentes a errores.
¿Qué es el efecto Hall cuántico fraccionario?
Cuando un gas bidimensional de electrones se somete a temperaturas extremadamente bajas y a un intenso campo magnético, los electrones dejan de comportarse como partículas individuales.
En su lugar, interactúan con el campo magnético para formar nuevas entidades conocidas como cuasipartículas, que poseen propiedades completamente diferentes a las de los electrones originales.
Este fenómeno recibe el nombre de efecto Hall cuántico fraccionario y constituye uno de los ejemplos más sorprendentes del comportamiento colectivo de la materia cuántica.
Hasta la fecha, los físicos han identificado alrededor de 80 estados Hall fraccionarios, cada uno definido por un denominado factor de llenado, que expresa la relación entre el número de electrones y la cantidad de cuantos de flujo magnético presentes en el sistema.
Los estados de denominador par siguen siendo un misterio
Entre todos los estados conocidos, existe un pequeño grupo especialmente interesante: aquellos cuyos factores de llenado presentan denominadores pares, como 5/2, 3/8 y 3/10.
Estos estados son objeto de una intensa investigación porque podrían albergar cuasipartículas no abelianas, un tipo muy especial de excitación cuántica cuya información depende del recorrido que realizan unas alrededor de otras y no únicamente de su estado final.
Esta propiedad permitiría desarrollar sistemas de computación cuántica topológica, mucho más resistentes al ruido y a los errores que afectan a los ordenadores cuánticos actuales.
Sin embargo, demostrar experimentalmente la naturaleza de estas cuasipartículas sigue siendo uno de los mayores desafíos de la física de la materia condensada.
Dos posibles explicaciones para los estados más complejos
Desde hace años, los científicos debaten entre dos modelos principales para explicar los estados Hall fraccionarios de nueva generación, especialmente los correspondientes a los factores de llenado 3/8 y 3/10.
El primero propone que el sistema forma una especie de superfluido de fermiones compuestos, donde cada cuasipartícula está formada por electrones unidos a un número par de cuantos de flujo magnético.
La segunda posibilidad corresponde a los llamados estados de Bonderson-Slingerland, una estructura cuántica mucho más compleja que también podría dar lugar a partículas no abelianas.
Y hasta ahora no existía un modelo capaz de comparar ambas posibilidades dentro de un mismo marco teórico.
Una nueva teoría unifica ambos escenarios
Los investigadores Misha Yutushui y David Mross desarrollaron funciones de onda capaces de describir simultáneamente ambos tipos de estados.
A partir de estas funciones construyeron diagramas de fase para los estados 3/8 y 3/10, permitiendo visualizar en qué condiciones físicas aparece cada uno de los comportamientos posibles.
Los resultados muestran que ambos estados ocupan regiones similares del espacio de parámetros, aunque existe una diferencia importante.
- A campos magnéticos más bajos, el sistema favorece la formación del superfluido de fermiones compuestos.
- Cuando el campo magnético aumenta, los estados de Bonderson-Slingerland se vuelven energéticamente más estables.
Esta transición ayuda a comprender por qué diferentes experimentos han obtenido resultados aparentemente contradictorios.
Un paso más hacia la computación cuántica topológica
Además de explicar el comportamiento de estos estados exóticos, el nuevo trabajo propone varias estrategias experimentales para distinguir ambas fases en futuros laboratorios.
Si estas predicciones se confirman, los científicos dispondrán de una herramienta mucho más precisa para identificar qué estados contienen realmente cuasipartículas no abelianas, consideradas uno de los componentes fundamentales para fabricar qubits extremadamente robustos.
A diferencia de los qubits convencionales, estas partículas almacenarían la información de forma distribuida mediante propiedades topológicas, lo que reduciría significativamente la aparición de errores durante los cálculos.
Comprender las cuasipartículas para construir los ordenadores cuánticos del futuro
Aunque todavía se trata de un trabajo puramente teórico, la investigación representa un avance importante para comprender algunos de los estados cuánticos más complejos conocidos.
Al ofrecer una descripción unificada de los estados Hall fraccionarios de denominador par y de los mecanismos mediante los cuales sus cuasipartículas se emparejan..
El estudio proporciona una nueva hoja de ruta para futuros experimentos y acerca un poco más el objetivo de desarrollar tecnologías basadas en computación cuántica topológica, una de las grandes apuestas para la próxima generación de sistemas cuánticos.