Computing hurtigere med kvasi-partikler

Majorana -partikler er meget særegne medlemmer af familien af ​​elementære partikler. Først forudsagt i 1937 af den italienske fysiker Ettore Majorana, disse partikler tilhører gruppen af ​​såkaldte fermioner, en gruppe, der også omfatter elektroner, neutroner og protoner. Majorana fermioner er elektrisk neutrale og også deres egne antipartikler. Disse eksotiske partikler kan, for eksempel, fremstår som kvasipartikler i topologiske superledere og repræsenterer ideelle byggesten til topologiske kvantecomputere.

Går til to dimensioner

På vejen til sådanne topologiske kvantecomputere baseret på Majorana kvasi-partikler, fysikere fra University of Würzburg sammen med kolleger fra Harvard University (USA) har taget et vigtigt skridt:Hvorimod tidligere eksperimenter på dette felt mest har fokuseret på endimensionelle systemer, det er lykkedes teamene fra Würzburg og Harvard at gå til todimensionelle systemer.

I dette samarbejde grupperne Ewelina Hankiewicz (Theoretische Physik IV) og Laurens Molenkamp (Experimentelle Physik III) fra University of Würzburg slog sig sammen med grupperne Amir Yacoby og Bertrand Halperin fra Harvard University. Deres resultater præsenteres i den aktuelle udgave af det videnskabelige tidsskrift Natur .

To superledere kan forenkle sagen

"At realisere Majorana-fermioner er et af de mest intenst studerede emner inden for kondenseret stofs fysik, "Siger Ewelina Hankiewicz. Ifølge hende, tidligere erkendelser har normalt fokuseret på endimensionelle systemer såsom nanotråde. Hun forklarer, at en manipulation af Majorana-fermioner er meget vanskelig i disse opsætninger. Det ville derfor kræve betydelige bestræbelser på at gøre Majorana fermioner i disse opsætninger til sidst anvendelige til kvanteberegning.

For at undgå nogle af disse vanskeligheder, forskerne har undersøgt Majorana-fermioner i et todimensionalt system med stærk spin-orbit-kobling. "Det system, vi undersøger, er et såkaldt fasekontrolleret Josephson-kryds, det er, to superledere, der er adskilt af en normal region, "Forklarer Laurens Molenkamp. Den superledende faseforskel mellem de to superledere giver en ekstra knap, hvilket gør en indviklet finjustering af de andre systemparametre i det mindste delvist unødvendig.

Vigtigt skridt mod en forbedret kontrol

I det undersøgte materiale, en kviksølvtellurid-kvantebrønd koblet til superledende tyndfilmaluminium, fysikerne observerede for første gang en topologisk faseovergang, der indebærer udseendet af Majorana fermioner i fasekontrollerede Josephson-kryds.

Opsætningen realiseret eksperimentelt her udgør en alsidig platform for oprettelsen, manipulation og kontrol af Majorana fermioner, hvilket giver flere fordele i forhold til tidligere endimensionelle platforme. Ifølge Hankiewicz, "Dette er et vigtigt skridt mod en forbedret kontrol med Majorana-fermioner." Beviset på begrebet en topologisk superleder baseret på et todimensionalt Josephson-kryds åbner nye muligheder for forskningen om Majorana fermioner inden for kondenseret fysik. I særdeleshed, flere begrænsninger af tidligere erkendelser af Majorana fermioner kan undgås.

Potentiel revolution inden for computerteknologi

På samme tid, en forbedret kontrol af Majorana fermioner repræsenterer et vigtigt skridt i retning af topologiske kvantecomputere. Teoretisk set sådanne computere kan være betydeligt mere kraftfulde end konventionelle computere. De har således potentialet til at revolutionere computerteknologien.

Næste, forskerne planlægger at forbedre Josephson-krydset og bevæge sig mod kryds med smallere normale områder. Her, der forventes flere lokaliserede Majorana fermioner. De studerer yderligere muligheder for at manipulere Majorana fermioner, for eksempel, ved at bruge andre halvledere.