Nyt materiale viser et stort potentiale for kvanteberegning

Et fælles hold af forskere ved University of California, Riverside, og Massachusetts Institute of Technology kommer tættere på at bekræfte eksistensen af ​​en eksotisk kvantepartikel kaldet Majorana fermion, afgørende for fejltolerant kvanteberegning - den slags kvanteberegning, der adresserer fejl under driften.

Kvanteberegning bruger kvantefænomener til at udføre beregninger. Majorana-fermioner findes på grænsen af ​​specielle superledere kaldet topologiske superledere, som har et superledende hul i deres indre og rummer Majorana-fermioner udenfor, ved deres grænser. Majorana fermioner er et af de mest eftertragtede objekter i kvantefysikken, fordi de er deres egne antipartikler, de kan dele en elektrons kvantetilstand i to, og de følger forskellige statistikker sammenlignet med elektroner. Selvom mange har hævdet at have identificeret dem, videnskabsmænd kan stadig ikke bekræfte deres eksotiske kvantenatur.

UCR-MIT-teamet overvandt udfordringen ved at udvikle et nyt heterostrukturmaterialesystem, baseret på guld, der potentielt kan bruges til at demonstrere eksistensen og kvantenaturen af ​​Majorana-fermioner. Heterostrukturmaterialer er opbygget af lag af drastisk forskellige materialer, der, sammen, viser helt forskellige funktionaliteter sammenlignet med deres individuelle lag.

"Det er meget ikke-trivielt at finde et materialesystem, der naturligt er en topologisk superleder, " sagde Peng Wei, en assisterende professor i fysik og astronomi og en eksperimentel med kondenseret stof, som var med til at lede undersøgelsen, optræder i Fysisk gennemgangsbreve , med Jagadeesh Moodera og Patrick Lee fra MIT. "Et materiale skal opfylde flere strenge betingelser for at blive en topologisk superleder."

Majorana fermion, anses for at være halvdelen af ​​en elektron, forudsiges at blive fundet i enderne af en topologisk superleder nanotråd. Interessant nok, to Majorana-fermioner kan kombineres med hinanden og udgøre en elektron, tillader elektronens kvantetilstande at blive lagret ikke-lokalt - en fordel for fejltolerant kvanteberegning.

I 2012 MIT teoretikere, ledet af Lee, forudsagt, at heterostrukturer af guld kan blive en topologisk superleder under strenge betingelser. Eksperimenter udført af UCR-MIT-teamet har opnået alle de nødvendige betingelser for heterostrukturer af guld.

"At opnå en sådan heterostruktur er meget krævende, fordi flere materialefysiske udfordringer skulle løses først, " sagde Wei, en UCR-alun, der vendte tilbage til campus i 2016 fra MIT.

Wei forklarede, at forskningspapiret viser superledning, magnetisme, og elektronernes spin-kredsløbskobling kan eksistere side om side i guld - en svær udfordring at møde - og manuelt blandes med andre materialer gennem heterostrukturer.

"Superledning og magnetisme eksisterer normalt ikke side om side i det samme materiale, " han sagde.

Guld er ikke en superleder, han tilføjede, og det er elektrontilstandene på dens overflade heller ikke.

"Vores papir viser for første gang, at superledning kan bringes til overfladetilstande af guld, kræver ny fysik, " sagde han. "Vi viser, at det er muligt at gøre overfladetilstanden af ​​guld til en superleder, som aldrig har været vist før."

Forskningspapiret viser også, at elektrontætheden af ​​superledning i guldets overfladetilstande kan indstilles.

"Dette er vigtigt for fremtidig manipulation af Majorana fermioner, nødvendig for bedre kvanteberegning, " sagde Wei. "Også, overfladetilstanden af ​​guld er et todimensionelt system, der er naturligt skalerbart, hvilket betyder, at det tillader bygningen af ​​Majorana fermionkredsløb."

Udover Wei, Moodera, og Lee, forskerholdet omfatter også Sujit Manna og Marius Eich fra MIT.