Onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Chicago, in samenwerking met hun collega's aan de Universiteit van Hamburg in Duitsland, hebben een exotisch kwantumdeeltje in beeld gebracht - een Majorana-fermion genaamd - dat kan worden gebruikt als bouwsteen voor toekomstige qubits en uiteindelijk de realisatie van kwantumcomputers. Hun bevindingen worden gerapporteerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

Meer dan 50 jaar geleden, Gordon Moore, de voormalige CEO van Intel, merkte op dat het aantal transistors op een computerchip elke 18 tot 24 maanden verdubbelt. Deze trend, nu bekend als de wet van Moore, is doorgegaan tot op de dag van vandaag, wat leidt tot transistors die slechts enkele nanometers - een miljardste van een meter - groot zijn. Op deze schaal, de klassieke wetten van de fysica, die de basis vormen waarop onze huidige computers werken, gestopt met functioneren, en ze worden vervangen door de wetten van de kwantummechanica. Transistors nog kleiner maken, die in het verleden is gebruikt om de rekensnelheid en gegevensopslag te verhogen, is, daarom, niet meer mogelijk.

Tenzij onderzoekers erachter kunnen komen hoe ze kwantummechanica kunnen gebruiken als de nieuwe basis voor de volgende generatie computers.

Dit was het basisidee dat in 1982 werd geformuleerd door Richard Feynman, een van de meest invloedrijke theoretische natuurkundigen van de 20e eeuw. In plaats van klassieke computerbits te gebruiken die informatie opslaan die is gecodeerd in nullen en enen, men zou "kwantumbits" - of kortweg qubits - bedenken die de wetten van de kwantummechanica zouden gebruiken om elk getal tussen 0 en 1 op te slaan waardoor de rekensnelheid exponentieel toeneemt en wat leidt tot de geboorte van kwantumcomputers.

"Gebruikelijk, als je je mobiele telefoon laat vallen, het wist de informatie op je telefoon niet, " zei Dirk Morr, hoogleraar natuurkunde aan de UIC en corresponderende auteur op het papier. “Dat komt omdat de chips waarop informatie is opgeslagen in bits van enen en nullen redelijk stabiel zijn. Het kost veel rommel om van een een een nul te maken en vice versa. echter, omdat er een oneindig aantal mogelijke toestanden is waarin de qubit zich kan bevinden, informatie kan veel gemakkelijker verloren gaan."

Om robuustere en betrouwbaardere qubits te vormen, onderzoekers hebben zich tot Majorana-fermionen gewend - kwantumdeeltjes die alleen in paren voorkomen.

"We hebben maar één Majorana-fermion per qubit nodig, en dus moeten we ze van elkaar scheiden, ' zei Morr.

Door qubits te bouwen van een paar Majorana-fermionen, informatie betrouwbaar kan worden gecodeerd, zolang de Majorana's voldoende ver uit elkaar blijven.

Om deze scheiding te realiseren, en om een ​​enkel Majorana-fermion te "verbeelden", het is noodzakelijk om een ​​"topologische supergeleider" te creëren - een systeem dat stromen kan geleiden zonder energieverliezen, en op hetzelfde moment, is gebonden in een "topologische knoop".

"Deze topologische knoop is vergelijkbaar met het gat in een donut:je kunt de donut vervormen tot een koffiemok zonder het gat te verliezen, maar als je het gat wilt vernietigen, je moet iets behoorlijk dramatisch doen, zoals het eten van de donut, ' zei Morr.

Om topologische supergeleiders te bouwen, Morr's collega's aan de Universiteit van Hamburg plaatsten een eiland van magnetische ijzeratomen, slechts tientallen nanometers in diameter, op het oppervlak van renium, een supergeleider. Morr's groep had voorspeld dat met behulp van een scanning tunneling microscoop, men zou zich een Majorana-fermion moeten kunnen voorstellen als een heldere lijn langs de rand van het eiland van ijzeratomen. En dit is precies wat de experimentele groep heeft waargenomen.

"Door deze exotische kwantumdeeltjes daadwerkelijk te visualiseren, komen we weer een stap dichter bij het bouwen van robuuste qubits, en uiteindelijk kwantumcomputers, Morr zei. "De volgende stap zal zijn om erachter te komen hoe we deze Majorana-qubits op kwantumchips kunnen ontwikkelen en manipuleren om een ​​exponentiële toename van onze rekenkracht te verkrijgen. Dit zal ons in staat stellen om veel problemen aan te pakken waarmee we vandaag worden geconfronteerd, van het bestrijden van de opwarming van de aarde en het voorspellen van aardbevingen tot het verminderen van verkeersopstoppingen door zelfrijdende auto's en het creëren van een betrouwbaarder energienetwerk."