Kwantumcomputers beloven grote vooruitgang op veel gebieden - van cryptografie tot de simulatie van eiwitvouwing. Nog, welk fysiek systeem het beste werkt om de onderliggende kwantumbits te bouwen, is nog een open vraag. In tegenstelling tot gewone bits op uw computer, deze zogenaamde qubits kunnen niet alleen de waarden 0 en 1 aannemen maar ook mengsels van beide. Hoewel dit ze potentieel erg nuttig maakt, ze worden ook erg onstabiel.

Een benadering om dit probleem op te lossen is gebaseerd op topologische qubits die de informatie in hun ruimtelijke ordening coderen. Dat zou een stabielere en foutbestendigere basis voor berekeningen kunnen bieden dan andere opstellingen. Het probleem is dat nog nooit iemand met zekerheid een topologische qubit heeft gevonden.

Een internationaal team van onderzoekers uit Oostenrijk, Kopenhagen, en Madrid rond Marco Valentini van de Nanoelectronics-groep bij IST Austria hebben nu een opstelling onderzocht waarvan werd voorspeld dat deze de zogenaamde Majorana-nulmodi zou produceren - het belangrijkste ingrediënt voor een topologische qubit. Ze ontdekten dat een geldig signaal voor dergelijke modi in feite een valse vlag kan zijn.

De helft van een elektron

De experimentele opstelling bestaat uit een minuscuul draadje van slechts enkele honderden nanometers - enkele miljoensten van een millimeter - lang, gekweekt door Peter Krogstrup van Microsoft Quantum en de Universiteit van Kopenhagen. Deze toepasselijk genaamde nanodraden vormen een vrij zwevende verbinding tussen twee metalen geleiders op een chip. Ze zijn gecoat met een supergeleidend materiaal dat bij zeer lage temperaturen alle elektrische weerstand verliest. De coating gaat helemaal tot aan een klein stukje links aan het ene uiteinde van de draad, die een cruciaal onderdeel vormt van de opzet:de kruising. Het hele apparaat wordt vervolgens blootgesteld aan een magnetisch veld.

De theorieën van de wetenschappers voorspelden dat Majorana-nulmodi - de basis voor de topologische qubit waarnaar ze op zoek waren - in de nanodraad zouden moeten verschijnen. Deze Majorana-nulstanden zijn een vreemd fenomeen, omdat ze begonnen als een wiskundige truc om één elektron in de draad te beschrijven als samengesteld uit twee helften. Gebruikelijk, natuurkundigen zien elektronen niet als iets dat kan worden gesplitst, maar met behulp van deze nanodraadopstelling had het mogelijk moeten zijn om deze "halve elektronen" te scheiden en als qubits te gebruiken.

"We waren verheugd om aan dit veelbelovende materiële platform te werken, " legt Marco Valentini uit, die als stagiair bij IST Austria kwam werken voordat hij Ph.D. student in de groep Nano-elektronica. "Wat we verwachtten te zien, was het signaal van Majorana-nulmodi in de nanodraad, maar we vonden niets. Eerst, we waren in de war, dan gefrustreerd. Eventueel, en in nauwe samenwerking met onze collega's van de Theory of Quantum Materials en Solid State Quantum Technologies-groep in Madrid, we hebben de opstelling bekeken, en ontdekte wat er mis mee was."

Een valse vlag

Na een poging om de handtekeningen van de Majorana-nulmodi te vinden, de onderzoekers begonnen de opstelling van de nanodraad te variëren om te controleren of eventuele effecten van de architectuur hun experiment verstoorden. "We hebben verschillende experimenten gedaan met verschillende opstellingen om erachter te komen wat er mis ging, Valentini legt uit. "Het heeft even geduurd, maar toen we de lengte van de ongecoate kruising verdubbelden van honderd nanometer naar tweehonderd, we hebben onze boosdoener gevonden."

Toen de junctie groot genoeg was, gebeurde het volgende:de blootgestelde binnenste nanodraad vormde een zogenaamde kwantumdot - een klein stipje materie dat vanwege zijn beperkte geometrie speciale kwantummechanische eigenschappen vertoont. De elektronen in deze kwantumdot zouden dan kunnen interageren met die in de coating-supergeleider ernaast, en daarmee het signaal na te bootsen van de 'halve elektronen' - de Majorana-nulmodi - waarnaar de wetenschappers op zoek waren.

"Deze onverwachte conclusie kwam nadat we het theoretische model hadden opgesteld van hoe de kwantumdot interageert met de supergeleider in een magnetisch veld en de experimentele gegevens vergeleken met gedetailleerde simulaties uitgevoerd door Fernando Peñaranda, een doctoraat student in het Madrid-team, ' zegt Valentini.

"Als we dit nabootsende signaal verwarren met een Majorana-nulmodus, zien we hoe voorzichtig we moeten zijn in onze experimenten en in onze conclusies, Valentini waarschuwt. "Hoewel dit misschien een stap terug lijkt in de zoektocht naar Majorana-nulmodi, het is eigenlijk een cruciale stap voorwaarts in het begrijpen van nanodraden en hun experimentele signalen. Deze bevinding toont aan dat de cyclus van ontdekking en kritisch onderzoek onder internationale collega's centraal staat in de vooruitgang van wetenschappelijke kennis."