Nyt byggemateriale peger mod kvantecomputere

Et dansk-amerikansk forskerhold har vist, at det er muligt at producere Majorana-partikler i et nyt byggemateriale. Forskningen, ledet af forskere fra Niels Bohr institut, Københavns Universitet, baner vejen for nye typer af eksperimenter - og repræsenterer samtidig et vigtigt bidrag til konstruktionen af ​​morgendagens informationskredsløb.

Lige siden Ettore Majorana-legendarisk og mytisk italiensk fysiker-tilbage i 1937 foreslog eksistensen af ​​en partikel, der også er dens egen antipartikel, forskere har ledt efter "Majorana -partiklen, "som det er blevet kendt.

Indtil videre har søgningen været uden resultat

Et team af forskere fra Center for Quantum Devices ved Niels Bohr Institute (NBI) og fra Purdue University, USA, har - dog - for nylig bidraget til fremskridt inden for Majorana -forskning.

Ikke ved at finde selve den undvigende partikel, men ved at finde ud af, hvordan man producerer et materiale, hvor elektroner opfører sig i overensstemmelse med de teoretiske forudsigelser for Majorana -partikler.

Resultaterne af forskningsprojektet er offentliggjort i denne uges udgave af det videnskabelige tidsskrift Fysisk gennemgangsbreve .

Gratis

En antipartikel er en elementarpartikel-identisk med dens 'modstykke, "men med modsat elektrisk ladning. Som det ses i forholdet mellem negativt ladede elektroner og positivt ladede positroner.

Hvis en partikel også er sin egen anti-partikel-som, da den faktisk findes, vil være tilfældet med en Majorana -partikel - den vil derfor slet ikke have nogen ladning.

De egenskaber, der ifølge Ettore Majoranas beregninger, vil karakterisere en Majorana -partikel gør af en række årsager fascinerende forskere. Selvfølgelig fordi sådanne egenskaber 'pakket' i en partikel vil repræsentere nye eksperimentelle muligheder. Men også fordi Majorana-egenskaber menes at være nyttige, når forskere f.eks. forsøger at konstruere kvantecomputere - dvs. morgendagens informationskredsløb, der vil have kapacitet til at behandle datalastninger langt, langt tungere end dem, der behandles af vores nuværende supercomputere.

Over hele verden forsøger forskere at designe kvantecomputere.

Det er et løb - Center for Quantum Devices ved NBI er en af ​​deltagerne - og adjunkt Fabrizio Nichele og professor Charles Marcus, begge repræsenterer NBI-centeret, har stået for det dansk-amerikanske forskningsprojekt.

"Den kondenserede version er, at det er muligt at producere et materiale, hvor elektroner opfører sig som Majorana -partikler, som vores eksperimenter antyder - og at det er muligt at producere dette materiale ved hjælp af teknikker, der ligner dem, der bruges i dag, når man fremstiller computerkredsløb. Oven i det har vi vist, hvordan dette materiale gør os i stand til at måle egenskaber for Majorana -partikler, der aldrig er målt før - og udføre disse målinger med stor præcision, "forklarer Fabrizio Nichele.

Laptop design

To ultratynde ark-kombineret i en sandwich-er i centrum for den dansk-amerikanske opdagelse, og det hele har at gøre med at producere et materiale baseret på denne sandwich. "

Det nederste lag af 'sandwich' er lavet af indiumarsenid, en halvleder, og det øverste lag er lavet af aluminium, en superleder. Og 'sandwich' sidder oven på en såkaldt wafer, en af ​​de byggesten, der bruges i moderne computerteknologi.

Hvis du udskærer en nanotråd fra dette 'sandwich'-lag, er det muligt at skabe en tilstand, hvor elektroner inde i ledningen viser Majorana-egenskaber-og teorien bag denne tilgang har til dels været kendt siden 2010, siger Fabrizio Nichele:

"Imidlertid, indtil nu har der været et stort problem, fordi det var nødvendigt at 'dyrke' nanotråden i specielle maskiner i et laboratorium - og tråden var, bogstaveligt talt, fås kun i form af små 'hårlignende' sugerør. For at bygge f.eks. en chip baseret på dette materiale, du var derfor nødt til at samle et næsten ufatteligt antal enkelt sugerør - hvilket gjorde det virkelig svært og meget udfordrende at konstruere kredsløb på denne måde. "

Og det er præcis her, den dansk-amerikanske opdagelse kommer meget praktisk ind, forklarer Fabrizio Nichele:"Vi er nu i stand til at designe nanotråden på en bærbar computer - og inkludere de detaljer, vi går efter. Længere nede på vejen vil produktionskapaciteten uden tvivl stige - hvilket giver os mulighed for at bruge denne teknik til at konstruere computere af betydelig størrelse. "

Hurtigere vej til Majorana

På Center for Quantum Devices hos NBI, fokus er meget på konstruktionen af ​​en kvantecomputer. Alligevel er det et langt træk - kvantecomputeren er på ingen måde lige rundt om hjørnet, siger Fabrizio

Nichele:"Materialer med Majorana-egenskaber har naturligvis en række relevante kvaliteter i denne sammenhæng-derfor forsøger vi at undersøge dette felt gennem forskellige eksperimenter."

Nogle af disse forsøg udføres ved temperaturer lige over det absolutte nul (-273, 15 C), forklarer Fabrizio Nichele:"Når du gør det - hvilket naturligvis kræver udstyr, der er skræddersyet til eksperimenter af denne art - kan du studere detaljer relateret til kvanteegenskaber i forskellige materialer. Når det kommer til at konstruere en kvantecomputer, Majorana-partikler gør, imidlertid, repræsenterer kun en af ​​en række mulige og lovende muligheder. Dette felt er meget komplekst - og når, en skønne dag, en kvantecomputer er faktisk blevet konstrueret og er i gang, det kan meget vel være baseret på en eller anden form for integration af en række forskellige teknikker og forskellige materialer, hvoraf nogle kan være baseret på vores forskning, "siger Fabrizio Nichele.

Forskere, der arbejder med Ettore Majoranas -ligninger af helt andre grunde end ønsket om at bygge en kvantecomputer, kan også drage fordel af den dansk-amerikanske forskning, forklarer Fabrizio Nichele:

"Vores teknik gør det muligt at udføre forsøg, der hidtil ikke har været muligt - hvilket også vil lette forståelsen af ​​selve Majorana -partiklen."

Forskningsprojektet er blevet finansieret af Danmarks Nationale Forskningsfond, Villum Fonden, Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) og - der repræsenterer den kommercielle donorside - Microsoft; sidstnævnte sluttede sig til projektet som en del af et veletableret samarbejde med NBI.

Udover at samarbejde med kolleger fra Purdue Univcersity, NBI-forskerne har også for nylig undersøgt Majorana-ejendomme i samarbejde med forskere fra University of California, Santa Barbara, USA. Resultaterne af dette projekt er offentliggjort i en separat artikel i Fysisk gennemgangsbreve .