Qubits, de eenheden die worden gebruikt om informatie in quantum computing te coderen, zijn niet allemaal gelijk geschapen. Sommige onderzoekers geloven dat topologische qubits, die harder en minder gevoelig zijn voor omgevingslawaai dan andere soorten, misschien wel het beste medium om kwantumcomputing vooruit te helpen.

De kwantumfysica houdt zich bezig met hoe fundamentele deeltjes op elkaar inwerken en soms samenkomen om nieuwe deeltjes te vormen die quasideeltjes worden genoemd. Quasideeltjes verschijnen in mooie theoretische modellen, maar het is een uitdaging om ze experimenteel te observeren en te meten. Met de creatie van een nieuw apparaat waarmee onderzoekers interferentie van quasideeltjes kunnen onderzoeken, we zijn misschien een grote sprong dichterbij. De bevindingen werden maandag gepubliceerd in Natuurfysica .

"We kunnen deze deeltjes onderzoeken door ze te laten interfereren, " zei Michael Manfra, de Bill en Dee O'Brian leerstoel hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde aan de Purdue University. "Mensen proberen dit al heel lang, maar er zijn grote technische uitdagingen geweest."

Om zulke kleine deeltjes te bestuderen, Manfra's groep bouwt piepkleine, kleine apparaten die een kristalgroeitechniek gebruiken die atoomlaag voor atoomlaag opbouwt, moleculaire bundelepitaxie genoemd. De apparaten zijn zo klein dat ze elektronen tot twee dimensies beperken. Als een knikker die rondrolt op een tafelblad, ze kunnen niet omhoog of omlaag bewegen.

Als het apparaat, of "tafelblad, "is schoon en glad genoeg, wat de fysica van het experiment domineert, zijn niet de individuele acties van elektronen, maar hoe ze met elkaar omgaan. Om de individuele energie van deeltjes te minimaliseren, Het team van Manfra koelde ze af tot extreem lage temperaturen - rond -460 graden Fahrenheit. Aanvullend, de elektronen werden onderworpen aan een groot magnetisch veld. Onder deze drie omstandigheden:extreem koude temperaturen, beperkt tot twee dimensies, en blootgesteld aan een magnetisch veld, echt vreemde fysica begint te gebeuren. Natuurkundigen noemen dit het fractionele quantum hall-regime.

"In deze exotische omstandigheden, elektronen kunnen zichzelf zo rangschikken dat het basisobject eruitziet alsof het een derde van een elektronenlading draagt, " zei Manfra, die ook hoogleraar materiaalkunde is, en elektrotechniek en computertechniek. "We denken aan elementaire deeltjes als bosonen of fermionen, afhankelijk van de spin van het deeltje, maar onze quasideeltjes hebben een veel complexer gedrag als ze om elkaar heen evolueren. Het bepalen van de lading en statistische eigenschappen van deze toestanden is een langdurige uitdaging in de kwantumfysica."

Om de deeltjes te laten interfereren, Manfra's groep bouwde een interferometer:een apparaat dat twee of meer bronnen van quasideeltjes samenvoegt om een ​​interferentiepatroon te creëren. Als je twee stenen in een vijver gooit, en hun golven kruisten elkaar op een bepaald punt, dit is waar ze interferentie zouden genereren en de patronen zouden veranderen.

Maar het is buitengewoon moeilijk om deze effecten op veel kleinere schaal te repliceren. In zo'n krappe ruimte, elektronen hebben de neiging elkaar af te stoten, dus het kost extra energie om een ​​ander elektron in de ruimte te plaatsen. Dit heeft de neiging de interferentie-effecten te verknoeien, zodat onderzoekers ze niet duidelijk kunnen zien.

De Purdue-interferometer overwint deze uitdaging door metalen platen toe te voegen op slechts 25 nanometer afstand van de interfererende quasideeltjes. De metalen platen schermen de weerzinwekkende interacties af, het verminderen van de energiekosten en het mogelijk maken van interferentie.

Het nieuwe apparaat heeft identieke muren aan elke kant en metalen poorten, een beetje zoals een flipperkast. Maar in tegenstelling tot een flipperkast, die zich chaotisch verspreidt, de elektronen in dit apparaat volgen een zeer strikt patroon.

"De magie van het kwantumhal-effect is dat alle stroom langs de rand van het monster gaat, niet door het midden, " zei James Nakamura, doctoraat kandidaat bij Purdu en hoofdauteur van de paper. "Als quasideeltjes door de bundelsplitser worden getunneld, ze zijn in tweeën gedeeld, in kwantummechanische zin. Dat gebeurt twee keer, bij twee bundelsplitsers, en interferentie optreedt tussen de twee verschillende paden."

In zo'n bizar rijk van de natuurkunde, het kan voor onderzoekers moeilijk zijn om te weten of wat ze denken te zien ook werkelijk is. Maar deze resultaten laten zien dat, mogelijk voor het eerst, onderzoekers zijn getuige geweest van de kwantummechanische interferentie van quasideeltjes.

Dit mechanisme zou ook kunnen helpen bij de ontwikkeling van topologische qubits in de toekomst.

"Zo ver we weten, dit is het enige levensvatbare platform om te proberen complexere experimenten uit te voeren die, in meer gecompliceerde staten, de basis zijn van een topologische qubit, " zei Manfra. "We proberen deze al een tijdje te bouwen, met als einddoel enkele van deze zeer vreemde eigenschappen te valideren. We zijn er nog niet helemaal, maar we hebben laten zien dat dit de beste manier is om vooruit te komen."