Wetenschappers van UC Santa Barbara staan ​​aan de vooravond van een grote vooruitgang in topologische kwantumcomputers.

In een artikel dat in het tijdschrift verschijnt Natuur , Chris Palmstrøm, een UCSB-hoogleraar elektrische en computertechniek en materialen, en collega's beschrijven een methode waarmee "hashtag"-vormige nanodraden kunnen worden overgehaald om Majorana-quasideeltjes te genereren. Deze quasideeltjes zijn exotische toestanden die, indien gerealiseerd, kan worden gebruikt om informatie te coderen met zeer weinig risico op decoherentie - een van de grootste uitdagingen van quantum computing - en dus weinig behoefte aan kwantumfoutcorrectie.

"Dit was echt een goede stap om dingen te laten gebeuren, " zei Palmstrøm. In 2012 Nederlandse wetenschappers Leo Kouwenhoven en Erik Bakkers (ook auteurs op het papier) van de Technische Universiteiten Delft en Eindhoven in Nederland, rapporteerde de eerste waarneming van staten die consistent zijn met deze quasideeltjes. Destijds, echter, ze stopten met het definitieve bewijs dat ze in feite de Majorana's waren, en geen andere verschijnselen.

Onder auspiciën van Microsoft Corporation's Research Station Q, met hoofdkantoor op de UCSB-campus, dit team van wetenschappers maakt deel uit van een grotere internationale inspanning om de eerste topologische kwantumcomputer te bouwen.

De quasideeltjes zijn genoemd naar de Italiaanse natuurkundige Ettore Majorana, die hun bestaan ​​in 1937 voorspelden, rond de geboorte van de kwantummechanica. Ze hebben het unieke onderscheid dat ze hun eigen antideeltjes zijn - ze kunnen elkaar vernietigen. Ze hebben ook de kwaliteit niet-Abeliaans te zijn, wat resulteert in het vermogen om hun relatieve posities in de loop van de tijd te 'onthouden' - een eigenschap die ze centraal maakt in topologische kwantumberekening.

"Als je deze Majorana's fysiek om elkaar heen wilt verplaatsen, ze zullen onthouden of ze met de klok mee of tegen de klok in zijn verplaatst, " zei Mihir Pendharkar, een afgestudeerde student-onderzoeker in de Palmstrøm Group. Deze operatie van het verplaatsen van de ene naar de andere, hij ging verder, is wat wordt aangeduid als "vlechten". Berekeningen zouden in theorie kunnen worden uitgevoerd door de Majorana's te vlechten en ze vervolgens te versmelten, het vrijgeven van een poef van energie - een 'digitale high' - of absorberende energie - een 'digital low'. De informatie wordt vervat en verwerkt door de uitwisseling van posities, en de uitkomst wordt verdeeld tussen de twee of meer Majorana's (niet de quasideeltjes zelf), een topologische eigenschap die de informatie beschermt tegen omgevingsstoringen (lawaai) die de individuele Majorana's zouden kunnen beïnvloeden.

Echter, voordat het vlechten kan worden uitgevoerd, deze fragiele en vluchtige quasideeltjes moeten eerst worden gegenereerd. In deze internationale samenwerking halfgeleiderwafels begonnen hun reis met het patroontekenen van gouddruppels aan de Technische Universiteit Delft. Met de gouden druppeltjes die als zaden fungeren, Aan de Technische Universiteit Eindhoven werden vervolgens indiumantimonide (InSb) halfgeleider nanodraden gekweekt. Volgende, de nanodraden reisden over de hele wereld naar Santa Barbara, waar onderzoekers van de Palmstrøm Group ze zorgvuldig hebben schoongemaakt en gedeeltelijk bedekt met een dunne schil van supergeleidend aluminium. De nanodraden zijn teruggestuurd naar Nederland voor elektrische metingen bij lage temperatuur.

"Er is voorspeld dat de Majorana optreedt tussen een supergeleider en een halfgeleiderdraad, " legde Palmstrøm uit. Sommige van de kruisende draden in het oneindig kleine hashtag-vormige apparaat zijn samengesmolten, terwijl anderen elkaar amper missen, een zeer precieze opening achterlatend. Dit slimme ontwerp, volgens de onderzoekers maakt het mogelijk dat sommige delen van een nanodraad zonder een aluminium omhulselcoating gaan, het scheppen van ideale omstandigheden voor het meten van Majorana's.

"Wat je zou moeten zien is een toestand zonder energie, "Zei Pendharkar. Deze "nul-bias-piek" komt overeen met de wiskunde die ertoe leidt dat een deeltje zijn eigen antideeltje is en werd voor het eerst waargenomen in 2012. "In 2012 ze vertoonden een minuscule nul-bias-blip in een zee van achtergrond, " zei Pendharkar. Met de nieuwe aanpak, hij ging verder, "nu is de zee verdwenen, " wat niet alleen het resultaat van 2012 verduidelijkt en de onderzoekers een stap dichter bij het definitieve bewijs van Majorana-staten brengt, maar legt ook een steviger fundament voor de productie van deze quasideeltjes.

Majorana's, vanwege hun bijzondere immuniteit voor fouten, kan worden gebruikt om een ​​ideale qubit (eenheid van kwantuminformatie) te construeren voor topologische kwantumcomputers, en, volgens de onderzoekers kan resulteren in een meer praktische kwantumcomputer omdat de fouttolerantie minder qubits vereist voor foutcorrectie.

"Alle kwantumcomputers gaan werken bij zeer lage temperaturen, " Palmstrøm zei, "omdat 'kwantum' een zeer laag energieverschil is." Dus, zeiden de onderzoekers, het koelen van minder fouttolerante qubits in een kwantumcircuit zou gemakkelijker zijn, en gedaan in een kleinere footprint, dan het koelen van meer foutgevoelige qubits plus de qubits die nodig zijn om tegen fouten te beschermen.

De laatste stap naar een sluitend bewijs van Majorana's zal zijn in het vlechten, een experiment dat de onderzoekers in de nabije toekomst hopen uit te voeren. Daartoe, de wetenschappers bouwen voort op deze basis met ontwerpen die het resultaat van vlechten mogelijk maken en meten.

"We hebben de financiering en de expertise gehad van mensen die experts zijn op het gebied van metingen, en experts op het gebied van theorie, "Pendharkar zei, "en het is een geweldige samenwerking geweest die ons naar dit niveau heeft gebracht."