Zeer dunne draden gemaakt van een topologische isolator kunnen zeer stabiele qubits mogelijk maken, de bouwstenen van toekomstige kwantumcomputers. Wetenschappers zien een nieuw resultaat in topologische isolatorapparatuur als een belangrijke stap om het potentieel van de technologie te realiseren.

Een internationale groep wetenschappers heeft aangetoond dat draden die meer dan 100 keer dunner zijn dan een mensenhaar, kunnen werken als een kwantum eenrichtingsverkeer voor elektronen wanneer ze zijn gemaakt van een eigenaardig materiaal dat bekend staat als een topologische isolator.

De ontdekking opent de weg voor nieuwe technologische toepassingen van apparaten gemaakt van topologische isolatoren en demonstreert een belangrijke stap op weg naar het bereiken van zogenaamde topologische qubits, waarvan voorspeld is dat ze informatie voor een kwantumcomputer robuust kunnen coderen.

Om dit resultaat te bereiken, werkten de groepen van Professor Dr. Jelena Klinovaja en Professor Dr. Daniel Loss aan de Universiteit van Basel nauw samen met experimentele natuurkundigen van de Universiteit van Keulen in de groep van Professor Dr. Yoichi Ando. Hun studie is nu gepubliceerd in Nature Nanotechnology .

Topologische isolatoren zijn materialen waarin een combinatie van kwantummechanica en het wiskundige concept van topologie geleidende oppervlakken en isolerende interieurs produceren. Topologische isolatoren zijn veelbelovende kandidaten voor toekomstige technologieën en als potentiële platforms voor kwantumcomputers.

De onderzoekers konden aantonen dat elektrische stromen onder de juiste omstandigheden gemakkelijker in de ene richting kunnen stromen dan in de andere, een proces dat rectificatie wordt genoemd. Rectificatie biedt een breed scala aan toepassingen en vormt de basis van de meeste draadloze technologieën.

Gelijkrichters die bijvoorbeeld in smartphones worden gevonden, zijn nu gemaakt van halfgeleiderdiodes. Het huidige rectificatie-effect dat is ontdekt in topologische isolator-nanodraden ontstaat echter als gevolg van de kwantummechanica en is uiterst beheersbaar.

Gewoonlijk ontstaan ​​kwantumrectificatie-effecten als gevolg van iets dat bekend staat als spin-baankoppeling, wat een mix is ​​van kwantummechanica en de relativiteitstheorie van Einstein. Zoals je zou verwachten, resulteert die vreemde mix normaal gesproken in kleine rectificatie-effecten.

"Het mooie van de topologische isolator-nanodraden is dat we in wezen dezelfde natuurkunde kunstmatig kunnen produceren, maar met een veel grotere omvang", zegt Dr. Henry Legg, Georg H. Endress postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Basel en eerste auteur van het artikel. "Dit leidt tot een rectificatie-effect dat enorm is in vergelijking met andere materialen. Het is ook een van de aspecten die topologische isolatoren zo interessant maakt voor toepassingen in kwantumcomputers."

Voorbij de wet van Ohm

De wet van Ohm stelt dat de stroom die door een apparaat vloeit, wordt bepaald door de spanningsval erover en een hoeveelheid die bekend staat als weerstand. Wanneer de kwantummechanica echter in het spel is, moet de wet van Ohm soms worden gecorrigeerd.

In het bijzonder, als een materiaal of een apparaat er niet hetzelfde uitziet wanneer al zijn ruimtelijke eigenschappen gespiegeld zijn - de zogenaamde gebroken ruimtelijke inversiesymmetrie - betekent het toepassen van een magnetisch veld dat de kwantumversie van de wet van Ohm de stroom gemakkelijker in één richting laat stromen vergeleken met de andere. De grootte van de huidige gelijkrichting wordt bepaald door het verschil tussen de weerstanden in elke richting.

Dankzij de hoge mate van controle die mogelijk is in topologische isolatorapparatuur, kon het team van onderzoekers een werkelijk gigantisch rectificatie-effect bereiken in vergelijking met wat eerder was waargenomen.

Robuuste kwantuminformatie

Quantumcomputers beloven ongekende rekenkracht, maar zijn erg gevoelig voor de invloed van de externe omgeving. Een voorgestelde oplossing voor de kwetsbaarheid van kwantumeenheden van informatie - de zogenaamde qubits - zijn topologische qubits, waarvan wordt voorspeld dat ze veel stabieler zullen zijn tegen de invloeden van de externe omgeving. Deze bescherming ontstaat ook als gevolg van de wiskunde van de topologie die ten grondslag ligt aan de eigenschappen van topologische isolatoren.

Topologische isolatoren worden al lang beschouwd als goede kandidaten om de basis te vormen voor topologische kwantumcomputers. Een goede controle over topologische isolators is echter essentieel om topologische qubits te kunnen produceren.

"Onze studie ontdekte niet alleen een uniek en zeer groot kwantumeffect, maar het laat ook zien dat we een uitstekende mate van begrip hebben van wat er in deze systemen gebeurt. Het lijkt erop dat alle belangrijke eigenschappen van topologische isolatoren er zijn om vooruit te komen op de pad naar het maken van topologische qubits", zegt professor Dr. Jelena Klinovaja van de Universiteit van Basel. + Verder verkennen

Eerste hybride kwantumbit gebaseerd op topologische isolatoren