Onderzoekers van de TU Delft hebben onlangs een onderzoek gedaan naar spin-baaninteractie in Majorana-nanodraden. hun studie, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , is de eerste die duidelijk het mechanisme laat zien dat de creatie van het ongrijpbare Majorana-deeltje mogelijk maakt, die de bouwsteen zou kunnen worden van een stabieler type kwantumcomputer.

"Ons onderzoek is gericht op experimentele verificatie van de theoretisch voorgestelde Majorana-nulmodus, "Jouri Bommer, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org via e-mail. "Dit deeltje, dat zijn eigen antideeltje is, is van bijzonder belang, omdat wordt voorspeld dat het nuttig zal zijn voor het ontwikkelen van een topologische kwantumcomputer."

Quantum computing is een veelbelovend gebied van de informatica dat het gebruik van kwantummechanische verschijnselen en kwantumtoestanden onderzoekt om informatie op te slaan en computerproblemen op te lossen. In de toekomst, kwantumcomputers kunnen problemen aanpakken die traditionele computermethoden niet kunnen oplossen, bijvoorbeeld om het computationeel en deterministisch ontwerp van nieuwe medicijnen en moleculen mogelijk te maken.

Hoewel deze computers opmerkelijke voordelen kunnen hebben, de meeste benaderingen van kwantumcomputing lijden aan een gevoeligheid voor ruis die bekend staat als 'decoherentie'. Onderzoekers hebben daarom een ​​nieuw type kwantumcomputer ontwikkeld die afhankelijk is van Majorana-deeltjes, die inherent zijn beschermd tegen lawaai. Deze "topologische" bescherming vereist supergeleiding, een fenomeen dat dissipatie-minder elektrische stroom mogelijk maakt.

"Door kwantuminformatie te coderen in de topologische eigenschap van Majorana-nulmodi, de decoherentiefout/het probleem kan worden opgelost vanaf het fundamentele apparaatniveau, " legde Bommer uit. "Dit nieuwe systeem is inherent beschermd tegen lawaai, een probleem dat alternatieve benaderingen van kwantumcomputing plaagt. De topologische bescherming tegen ruis lijkt veel op het opslaan van informatie als een knoop in een touw:door het touw lichtjes te schudden, de knoop zal niet ongedaan worden gemaakt."

De creatie van Majoranas berust op een magnetisch veld, wat in het algemeen onverenigbaar is met supergeleiding; een duidelijke eis van Majoranas. Een oplossing om deze beperking te overwinnen is om gebruik te maken van de interactie van de beweging van elektronen met hun interne "magneten, " een fenomeen dat bekend staat als spin-baan interactie. In aanwezigheid van deze interactie, een materiaal voelt het magnetische veld dat Majoranas nodig heeft niet zo sterk, waardoor supergeleiding mogelijk is.

"Eerder onderzoek heeft handtekeningen aangetoond die het bestaan ​​van Majorana-nulmodi ondersteunen, hoewel er tot op de dag van vandaag een aanzienlijke discussie is geweest of deze experimentele handtekeningen kunnen worden nagebootst door andere fysieke verschijnselen, " legde Bommer uit. "In onze recente publicatie, we nemen een andere benadering en onderzoeken de randvoorwaarden om een ​​Majorana-nulmodus te creëren. Om een ​​Majorana te maken, we hebben een halfgeleider nanodraad nodig die intrinsiek spin-baan interactie heeft, die we koppelen aan een supergeleidend materiaal om supergeleiding te laten 'lekken' in de halfgeleider nanodraad."

Tot dusver, de meeste studies gingen uit van de aanwezigheid van een spin-orbit-interactie in experimenten die bewijs toonden voor Majorana-modi. Niettemin, niemand had nog het effect van deze interactie in supergeleider- en halfgeleider Majorana-draden bestudeerd, wat cruciaal is voor het creëren van deze modi.

"In onze studie we hebben dit effect onthuld en deze spin-baaninteractie en de sterkte ervan direct gemeten, "Zei Bommer. "Dit hebben we bereikt door het effect van magnetische velden in verschillende richtingen op de supergeleiding te bestuderen."

Typisch, magnetische velden onderdrukken supergeleiding door de supergeleidende energiekloof te dichten. De spin-baan-interactie gaat deze onderdrukking tegen wanneer het magnetische veld in specifieke richtingen wijst. In hun elektronentransportexperiment, daarom, de onderzoekers hadden een sterker magnetisch veld nodig om deze kloof te dichten.

Door theoretische berekeningen uit te voeren en deze te vergelijken met hun experimentele gegevens, Bommer en zijn collega's konden de kracht van de spin-baaninteractie inschatten. Deze zeer belangrijke parameter was voorheen onbekend in systemen voor topologische kwantumberekeningstoepassingen.

"Onze waarnemingen laten zien dat spin-baan interactie, een van de essentiële ingrediënten om Majorana-modi te creëren, is aanwezig in het systeem en ondersteunt dus de handtekeningen van Majorana-modi die eerder zijn waargenomen, " legde Bommer uit. "Bovendien, de waargenomen fysica waarmee spin-orbit-interactie supergeleiding beschermt, is precies de fysica die uiteindelijk verantwoordelijk is voor de verwachte weerstand tegen ruis (d.w.z. topologische bescherming) die wordt verwacht voor een topologische kwantumcomputer."

De studie van Bommer en zijn collega's laat zien dat supergeleiding en spin-baaninteractie tegelijkertijd aanwezig kunnen zijn, onthulling van de mechanismen waarmee spin-orbit-interactie supergeleiding in Majorana-nanodraden beschermt. Hun observaties laten zien dat meer geavanceerde implementaties van dit materiële systeem ook zouden moeten profiteren van de spin-baanbescherming van kwantuminformatie en dat de geschatte spin-baansterkte een belangrijke input levert voor het ontwerp van kwantumcomputercircuits.

De onderzoekers plannen nu verder onderzoek gericht op het vinden van nieuwe experimentele handtekeningen voor Majorana-nulmodi met behulp van verbeterde materiaalsystemen. Bijvoorbeeld, ze hebben de NbTiN-supergeleider veranderd in een dunne aluminiumlaag, wat zorgt voor een veel betere supergeleiding.

"We zijn ook aan het jagen om de Majorana-deeltjes aan beide uiteinden van de draad tegelijkertijd te observeren, wat een sterk argument is om de waarneming van echte Majorana-modi te claimen, Bommer zei. "Deze verbeteringen waar we aan werken zijn ook nodig om onze ambitie te realiseren om een ​​kwantumcomputer te maken die Majorana-deeltjes als bouwstenen gebruikt. Deze experimenten in de nabije toekomst zullen niet alleen dienen als tussenstappen naar een topologische qubit, maar zullen ook de Majorana-fysica in een meer fundamenteel aspect laten zien."

© 2019 Wetenschap X Netwerk