Forskere ved Qutech i Delft har kombineret superledere og kvantepunkter for at observere og manipulere såkaldte Majorana-bundne stater, som har egenskaber, der kan muliggøre stabil kvanteberegning. Ved at bygge en kæde med tre koblede kvantepunkter i en to-dimensionel elektrondas var de i stand til at demonstrere egenskaber ved majoranas, der er essentielle for studiet af majorana-baserede kvantebits.
Resultaterne offentliggøres i Natur.
Et af de vigtigste problemer i kvanteberegning forbliver den iboende ustabilitet af kvantebits. I søgen efter fejltolerante kvantecomputere forventes topologiske kvantebits at være betydeligt mindre tilbøjelige til fejl. Nøglen til disse qubits er kvasipartikler kaldet Majorana Bound States, som er blevet forudsagt at vises på modsatte kanter af en-dimensionelle superledende systemer.
Seniorforfatter Srijit Goswami sagde: “I årevis har denne søgning efter Majorana-bundet stater fokuseret på udvidet en-dimensionel halvleder-superleder hybridenheder. Imidlertid viste disse systemer imidlertid at lide af uorden, hvilket gør det meget vanskeligt at pålideligt ingeniør Majorana bundet tilstande og studere dem detaljeret. Du er i det væsentlige ved at være hendes materielle kvalitet.”
Kitaev -kæder med tre kunstige atomer
For at skabe et meget kontrolleret modelsystem vendte Delft-teamet tilbage til den grundlæggende Kitaev-model, der forudsagde Majoranas i 2000. De skabte et system “blok for blok” i en kæde af kunstige atomer, kaldet Quantum Dots (QDS). Denne teknik gjorde det muligt for dem at konstruere majorana -bundne stater på en systematisk og deterministisk måde.
I de seneste år, gennem en stærk kombineret indsats fra teoretikere og eksperimentelle teams, der arbejder på forskellige materielle platforme, har forskning hos Qutech markant fremskredt forståelsen af disse Kitaev -kæder. Fra studiet af to-sidekæder i nanotråd og to-dimensionelle elektrongasser (2DEG’er) er det nu blevet muligt at udvide disse kæder og forstå, hvordan egenskaberne ved Majoranas udvikler sig.
Ved at supplere det nylige arbejde på tre-sidekæder i nanotråd viser dette arbejde, hvordan 2DEG’er kan bruges til systematisk at oprette, manipulere og undersøge majoranas.
Den første forfatter Bas Ten Haaf siger, “Ved omhyggeligt at indstille den måde, hvorpå kvantepunkterne interagerer, observerede vi tydeligt, at Majoranas dukker op samtidig på venstre og på højre side af systemet og ikke i midten.”
Stabiliteten af topologiske qubits er afhængig af tilstedeværelsen af et “bulk-gap”, fysisk adskiller de to majorana-bundne stater og forhindrer dem i at “udslette” hinanden. I modellsystemet i Delft-teamet fungerer den midterste kvanteprik som et indstilleligt bulk-gap, der selektivt kan være til stede eller fjernet.
“Når vi fjerner dette hul, er Majorana -bundne stater på de ydre kvantepunkter ikke længere stabile, nøjagtigt som Kitaev forudsagde,” siger Ten Haaf. “Kitaev -modellen er meget forenklet. Det er en legetøjsmodel. Jeg blev overrasket over at se, hvor godt vores observationer var enige med det.”
Mens underskrifter af Majorana -bundne stater er rapporteret før, er dette det første arbejde, der bruger et minimalt modelsystem til at undersøge samtidig, hvad der sker til venstre, midten og højre side.
Flytter Majoranas rundt
Forfatterne udnyttede også deres kontrol over systemet for at vise, at placeringen af Majoranas kunne flyttes fra en QD til en anden. Denne evne til at flytte Majoranas er vigtig for topologisk kvanteberegning. I denne længe efterspurgte teknologi byttes majoranas positioner for at skabe indviklede fletningsmønstre, der koder for information på en måde, der er robust mod tilfældige fejl.
Delft -teamet planlægger at tilføje flere kvanteprikker, så de faktisk kan bytte positioner for to majoranas. “En T-form lavet af seks kvantepunkter giver os mulighed for at teste fletning af operationer og skabe en grundlæggende qubit,” forklarer Goswami. “Det vil ikke være den bedste qubit, men tillader undersøgelser af de grundlæggende egenskaber i Majoranas.”
Goswami konkluderer, “Det, der fascinerer mig meget mere end at opbygge en kvantecomputer med vores kvantepunkter, afslører, hvordan disse majoranas fungerer, og hvad vi kan gøre med dem. Hvordan interagerer de? Hvordan parrer de sig? Dette er de ting, vi prøver at opdage.”