Door het Amerikaanse leger gefinancierde onderzoekers van de Universiteit van Californië in Los Angles hebben een spreekwoordelijke smoking gun-signatuur gevonden van het lang gezochte Majorana-deeltje, en de vondst, ze zeggen, zou indringers op gevoelige communicatienetwerken kunnen blokkeren.

De Majorana-deeltjes, die meer dan 80 jaar geleden werden voorspeld door de Italiaanse theoretisch natuurkundige Ettore Majorana, kunnen cruciale bouwstenen worden voor kwantumcomputers omdat ze door hun ongebruikelijke eigenschappen bestand zijn tegen externe interferentie en verlies van kwantuminformatie voorkomen.

De ontdekking lost niet alleen een al lang bestaand probleem in de natuurkunde op, maar opent ook een potentiële weg om Majorana-fermionen te beheersen voor het realiseren van robuuste topologische kwantumcomputers, zei dr. Joe Qiu, manager van het Solid-State Electronics Program binnen het Directoraat Engineering Sciences van het Army Research Office, een onderdeel van het onderzoekslaboratorium van het Amerikaanse leger, gevestigd in Research Triangle Park in Durham, Noord Carolina.

Quantumcomputers kunnen problemen veel sneller en efficiënter oplossen dan klassieke computers, mogelijk leidend tot een aanzienlijke verbetering van het situationeel bewustzijn met de mogelijkheid om grote hoeveelheden beschikbare gegevens te verwerken, een fundamenteel prioritair onderzoeksgebied voor het Amerikaanse leger.

"Eerdere experimentele benaderingen op basis van halfgeleider nanodraden op supergeleiders hebben niet-overtuigende signalen geproduceerd die ook kunnen worden toegeschreven aan andere effecten, " zei Qiu. "Het UCLA-experiment met gestapelde lagen van magnetische topologische isolator en supergeleider heeft het duidelijkste en meest ondubbelzinnige bewijs van de deeltjes aangetoond zoals tot nu toe door de theorie is voorspeld."

Het onderzoek dat tot de ontdekking heeft geleid, vertegenwoordigt een nauwe interdisciplinaire samenwerking tussen een team van onderzoekers, waaronder elektrotechnici, natuurkundigen en materiaalwetenschappers. Het UCLA-team wordt gefinancierd door een multidisciplinair universitair onderzoeksinitiatief van het leger, of MURI, prijs gezamenlijk beheerd door Electronics (Dr. Joe Qiu), Natuurkunde (Dr. Marc Ulrich) en Materialen (Dr. John Prater) Divisies bij ARO. ARO financiert onderzoek om wetenschappelijke en verregaande technologische ontdekkingen te initiëren in extramurale organisaties, onderwijsinstellingen, non-profitorganisaties en de particuliere industrie die toekomstige Amerikaanse soldaten sterker en veiliger kunnen maken.

Dit onderzoek werd geleid door prof. Kang Wang, een UCLA onderscheiden hoogleraar elektrotechniek, natuurkunde en materiaalkunde en techniek, die ook UCLA's Raytheon Chair in Electrical Engineering bekleedt.

Voor het eerst gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Wetenschap afgelopen juli, het onderzoek was te zien in een uitgenodigde lezing gepresenteerd door professor Wang, evenals twee andere gerelateerde uitgenodigde lezingen door zijn medewerkers tijdens de American Physical Society March Meeting.

"Omdat het Majorana-deeltje zijn eigen antideeltje is - dat geen elektrische lading draagt ​​- wordt het gezien als de beste kandidaat om een ​​kwantumbit te dragen, of qubit, de gegevenseenheid die de basis zou vormen van kwantumcomputers. In tegenstelling tot 'bits' gegevens in standaardcomputers, die kan worden weergegeven als 0s of 1s, qubits kunnen zowel nullen als 1s zijn, een eigenschap die kwantumcomputers exponentieel meer rekenkracht en snelheid zou geven dan de beste supercomputers van vandaag, ' zei Qi.

Het Majorana-deeltje staat in het middelpunt van de belangstelling voor kwantumcomputers, grotendeels omdat het door zijn neutrale lading bestand is tegen externe interferentie en het in staat is om een ​​kwantumeigenschap die bekend staat als verstrengeling te benutten en in stand te houden. Door verstrengeling kunnen twee fysiek gescheiden deeltjes gelijktijdig informatie coderen, die enorme rekenkracht zou kunnen genereren.

"Stel je voor dat stukjes data in standaardcomputers zijn als auto's die in beide richtingen rijden op snelwegen met twee rijstroken, " zei Wang, die ook directeur is van het King Abdulaziz City for Science and Technology's Centre of Excellence in Green Nanotechnology. "Een kwantumcomputer kan veel rijstroken en veel niveaus van 'verkeer, ' en de auto's konden tussen niveaus springen en tegelijkertijd in beide richtingen rijden, in elke baan en op elk niveau. We hebben stabiele, gepantserde kwantumauto's om dit te doen en de Majorana-deeltjes zijn die supercars."

Voor hun onderzoek hebben het team zette een supergeleider op, een materiaal dat ervoor zorgt dat elektronen vrij over het oppervlak kunnen stromen zonder weerstand, en erboven een dunne film van een nieuw kwantummateriaal geplaatst, topologische isolator genaamd, om de ingenieurs de mogelijkheid te geven om de deeltjes in een specifiek patroon te manipuleren. Na het vegen van een heel klein magnetisch veld over de opstelling, de onderzoekers vonden het duidelijke gekwantiseerde signaal van de Majorana-deeltjes - de veelbetekenende vingerafdruk van een specifiek type kwantumdeeltjes - in het elektrische verkeer tussen de twee materialen.

"De Majorana-deeltjes verschijnen en gedragen zich als helften van een elektron, hoewel het geen stukjes elektronen zijn, " zei Qing Lin He, een UCLA postdoctoraal onderzoeker en co-lead auteur van de Wetenschap papier. "We observeerden kwantumgedrag, en het signaal dat we zagen toonde duidelijk het bestaan ​​van deze deeltjes aan."

In het experiment, Majorana-deeltjes reisden langs de randen van de topologische isolator in een duidelijk vlechtachtig patroon. De onderzoekers zeiden dat de volgende stap in hun onderzoek zal onderzoeken hoe Majorana-deeltjes kunnen worden gebruikt in kwantumvlechten, die ze samen zouden voegen om informatie met superhoge snelheden te kunnen opslaan en verwerken.

Lei Pan, een UCLA-promovendus in elektrotechniek en de co-hoofdauteur van de paper, zei dat de unieke eigenschappen van Majorana-deeltjes ze bijzonder nuttig lijken te maken voor topologische kwantumcomputers.

"Terwijl conventionele kwantumsystemen geavanceerde schema's hebben om fouten te corrigeren, informatie die is gecodeerd in een topologische kwantumcomputer kan niet gemakkelijk worden beschadigd, " zei hij. "Wat opwindend is aan het gebruik van Majorana-deeltjes om kwantumcomputers te bouwen, is dat het systeem fouttolerant zou zijn."

Het onderzoeksteam omvat ook samenwerkende leden van UC Irvine, UC Davis en Stanford University.