Onderzoekers van de Universiteit van Kopenhagen en Microsoft Quantum Lab Copenhagen hebben onlangs een onderzoek uitgevoerd naar het potentieel van Majorana-nulmodi, nul-energie quasideeltjestoestanden die kunnen worden gevonden in supergeleidende hybride nanodraden, als een middel om kwantumgegevens te beschermen. hun papier, gepubliceerd in Natuurfysica , schetst de observatie van door fotonen ondersteunde tunneling-signaturen in een Majorana-nanodraad, biedt interessant nieuw inzicht dat de weg zou kunnen effenen voor een beter begrip van deze quasideeltjestoestanden.

"Ons langetermijndoel is het ontwikkelen van een manier om kwantuminformatie te beschermen en te controleren voor kwantumcomputertoepassingen, " Co-auteur van het artikel Prof. Charles Marcus vertelde Phys.org via e-mail. "Een intrigerend voorstel is om Majorana-nulmodi te gebruiken om bescherming te bieden op natuurkundig niveau, in plaats van op circuitniveau met behulp van redundantie en foutcorrectie."

Op fysiek niveau, Majorana-nulmodi verbergen specifieke informatie, nauwkeuriger of een overmaat elektron niet-lokaal aanwezig of afwezig is in een bepaalde topologische supergeleider. Deze informatie kan niet worden onthuld met behulp van tools voor het verzamelen van lokale metingen.

theoretisch, het gebruik van Majorana-nulmodi om kwantumgegevens te beschermen, zou dus vrij eenvoudig en ongecompliceerd moeten zijn. Echter, dit is tot nu toe zeer moeilijk te realiseren gebleken, aangezien het aanzienlijke inspanningen vereist, inclusief de ontwikkeling van methoden om nul-energietoestanden uit te lezen en het ontwerpen van hybride materialen die deze toestanden überhaupt kunnen bereiken.

"Een aantal concrete eerste stappen om dit concept te realiseren werden uiteengezet in een theoretische paper die we in 2016 schreven, maar het is een uitdaging om zelfs de subcomponenten van ons voorgestelde systeem te laten werken, "Zei Marcus. "Een cruciaal onderdeel is een topologische supergeleidende kruising waar Majorana-modi kunnen worden gekoppeld en ontkoppeld met behulp van elektrische pulsen. Ons recente experiment was ontworpen om dat ene specifieke onderdeel te testen:de plaats waar de koppeling van Majorana-modi over een knooppunt kan worden gecontroleerd."

Foton-geassisteerde tunneling is een techniek die kan worden gebruikt om kwantumtoestanden van ongelijke totale energie te 'verbinden', met behulp van een foton met een energie die overeenkomt met het verschil. De totale energie van de kwantumtoestanden in dit experiment hangt af van de aanwezigheid van een overmaat elektron in discrete nul-energietoestanden.

Dit effect stelde de onderzoekers uiteindelijk in staat om een ​​verschil in gemiddelde laadbezetting te detecteren. Omdat de frequentie van het foton energie is die kan worden gecontroleerd, ze konden het energieverschil tussen de kwantumtoestanden afleiden en dit uiteindelijk omzetten in een koppelingssterkte.

"In de begindagen van supergeleidende en spin-qubit-apparaten, door fotonen ondersteunde tunneling werd vaak gebruikt als een techniek om het energieverschil tussen qubits-toestanden in kaart te brengen, "David van Zanten, een andere onderzoeker die bij het onderzoek betrokken was, vertelde Phys.org. "Het minimale energieverschil wordt bepaald door de energie van de coherente uitwisselingskoppeling. Op basis van dit eerdere werk, we gingen op weg om door fotonen ondersteunde tunneling te gebruiken als een hulpmiddel om de coherente koppeling tussen Majorana-fermionen van verschillende paren te identificeren en te karakteriseren."

De methode die de onderzoekers gebruiken is vrij eenvoudig. Het omvat het meten van de gemiddelde ladingsbezetting van een dubbel-eilandstructuur met Majorana-nulmodi, terwijl tegelijkertijd een microgolftoon wordt toegepast op een bijna metalen structuur die voornamelijk is gekoppeld aan een van de eilanden van de structuur.

Om hun techniek te laten werken, de onderzoekers moesten geschikte topologische supergeleidende dubbel-eilandstructuren en RF SET-ladingssensoren ontwikkelen die in een InAs/AI-nanodraad konden worden geïntroduceerd, die op zijn beurt zou worden geplaatst op een substraat waarop microgolven kunnen worden toegepast. In aanvulling, ze moesten alle apparaatknoppen zorgvuldig afstemmen en een groter bereik identificeren waarbij aan alle voorwaarden was voldaan die nodig waren voor het door fotonen ondersteunde tunnelen van Majorana-nulmodi.

De auteurs werkten nauw samen met een team van onderzoekers gespecialiseerd in kwantummaterialen, onder leiding van Peter Krogstrup. Deze groep wetenschappers was verantwoordelijk voor het kweken van de draden die in het experiment werden gebruikt.

uiteindelijk, de materialen en methoden die in hun experiment werden gebruikt, stelden de onderzoekers in staat om door fotonen geassisteerde tunnelingsignaturen te observeren bij een eindig magnetisch veld, het induceren van 1e poortperiodiciteit op beide eilanden. Niettemin, men moet voorzichtig zijn bij het interpreteren van hun bevindingen, aangezien die van hen slechts een voorlopig resultaat is.

"Het meest opvallende aspect van onze studie ligt in de interne consistentie tussen de verschillende metingen en observaties die in de paper worden gepresenteerd, samen met ander werk van anderen in onze zelfde onderzoeksgemeenschap, " van Zanten. "Elk van onze metingen geeft onafhankelijk de aanwezigheid aan van discrete toestanden bij nul energie in beide eilanden, een beeld dat consistent is met de Majorana-nulmodi. De interne consistentie geeft aan dat onze interpretatie geldig is, maar bewijst het Majorana-koppeling? Nee."

Volgens de onderzoekers is andere fermionische toestanden die optreden bij nul-energie kunnen ook worden geconstrueerd op een manier die lijkt op Majorana-nulmodi. Om deze reden, hun resultaten, samen met soortgelijke verzameld door andere teams in het verleden, moeten worden beschouwd als interpretaties in plaats van feiten.

"Welke bestaande interpretatie het meest redelijk is, is onderwerp van discussie, die wordt gevoed door de verscheidenheid aan resultaten die door verschillende groepen zijn verzameld, "Zei Marcus. "Wat we hebben laten zien is dat op hoog veld, er is een discrete toestand in de draden bij nul energie (precies waar een Majorana zou verblijven) en dat door een knooppunt af te stemmen we deze nul-energiemodi kunnen koppelen en ontkoppelen, het meten van hun koppelingskracht."

De recente studie die is uitgevoerd door het in Kopenhagen gevestigde team levert nieuwe waarnemingen op die kunnen worden toegevoegd aan de verzameling bevindingen met betrekking tot nulmodi in Majorana-draden die de afgelopen tien jaar door verschillende onderzoeksteams zijn verzameld. In de toekomst, hun werk zou kunnen dienen als basis voor nieuwe studies die het potentieel van deze staten onderzoeken voor het verbeteren van de veiligheid van kwantumtechnologie.

"In onze volgende studies, we willen graag gebruik maken van materiaalsystemen waarmee gemakkelijker kan worden gewerkt, "Zei Marcus. "De nanodraden die we gebruikten waren een goed begin, maar het met de hand plaatsen van individuele draden is geen manier om een ​​netwerk van Majorana's te bouwen. Materialen zijn de sleutel tot vooruitgang op dit gebied:nieuwe materialen, schonere materialen, gemakkelijker om met materialen te werken."

Naast het herhalen van hun experiment met verschillende materialen, de onderzoekers zijn van plan om studies uit te voeren met multi-junction-systemen. In feite, Onderzoek uit het verleden suggereert dat systemen met meerdere knooppunten het mogelijk maken om apparaten te maken die geavanceerder en interessanter zijn.

"We willen nu ook andere ogen introduceren in de ontwikkeling van ons systeem, waarmee we snel en vol vertrouwen onderscheid kunnen maken tussen nulmodi die kwantuminformatie kunnen verbergen en die die dat niet kunnen, Marcus en van Zanten zeiden. "Het vlechten van Majorana-nulmodi is een belangrijke demonstratie dat onze nul-energietoestanden de belangrijkste eigenschap bezitten die nodig is voor informatiebescherming, maar die meting is niet gedaan. Ons huidige experiment introduceert de basistheorie, maar nu zullen materiaalwetenschappers en experimentatoren het moeten testen."

© 2020 Wetenschap X Netwerk