Observation af foton-assisteret tunneling signaturer i Majorana ledninger

Forskere ved Københavns Universitet og Microsoft Quantum Lab Copenhagen har for nylig gennemført en undersøgelse, der undersøger potentialet ved Majorana zero modes, nul-energi kvasipartikeltilstande, der kan findes i superledende hybrid nanotråde, som et middel til at beskytte kvantedata. Deres papir, udgivet i Naturfysik , skitserer observationen af ​​foton-assisteret tunneling signaturer i en Majorana nanotråd, tilbyder interessant ny indsigt, der kunne bane vejen for bedre forståelse af disse kvasipartikeltilstande.

"Vores langsigtede mål er at udvikle et middel til at beskytte og kontrollere kvanteinformation til kvanteberegningsapplikationer, " medforfatter af papiret Prof. Charles Marcus fortalte Phys.org via e-mail. "Et spændende forslag er at bruge Majorana nul-tilstande til at tilbyde beskyttelse på fysikniveau, snarere end på kredsløbsniveau ved hjælp af redundans og fejlkorrektion."

På det fysiske plan, Majorana nul-tilstande skjuler specifik information, mere præcist om en overskydende elektron er ikke-lokalt til stede eller fraværende inde i en given topologisk superleder. Disse oplysninger kan ikke afsløres ved hjælp af værktøjer til indsamling af lokale målinger.

Teoretisk set, Brug af Majorana nul-tilstande til at beskytte kvantedata burde derfor være ret simpelt og ligetil. Imidlertid, dette har indtil videre vist sig meget svært at indse, da det kræver en betydelig indsats, herunder udvikling af metoder til at udlæse nul-energitilstande og design af hybridmaterialer, der kan nå disse tilstande i første omgang.

"En række konkrete tidlige skridt hen imod at realisere dette koncept blev beskrevet i et teoretisk papir, vi skrev i 2016, men at få selv underkomponenterne i vores foreslåede system til at virke er udfordrende, " sagde Marcus. "En kritisk komponent er et topologisk superledende kryds, hvor Majorana-tilstande kan kobles og afkobles ved hjælp af elektriske impulser. Vores nylige eksperiment var designet til at teste den ene særlige komponent:stedet, hvor koblingen af ​​Majorana-tilstande på tværs af et kryds kunne kontrolleres."

Foton-assisteret tunneling er en teknik, der kan bruges til at 'forbindelse' kvantetilstande af ulige total energi, ved at bruge en foton med en energi, der svarer til forskellen. Den samlede energi af kvantetilstandene i dette eksperiment afhænger af tilstedeværelsen af ​​en overskydende elektron ved diskrete nul-energitilstande.

Denne effekt gjorde det i sidste ende muligt for forskerne at opdage en forskel i den gennemsnitlige ladningsbesættelse. Da fotonens frekvens er energi, der kan kontrolleres, de kunne udlede energiforskellen mellem kvantetilstandene og i sidste ende konvertere dette til en koblingsstyrke.

"I de tidlige dage med superledende og spin qubit-enheder, foton-assisteret tunneling blev ofte brugt som en teknik til at kortlægge energiforskellen mellem qubits tilstande, "David van Zanten, en anden forsker involveret i undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Minimumsenergiforskellen er defineret af energien af ​​den kohærente udvekslingskobling. Baseret på dette tidligere arbejde, vi begyndte at bruge foton-assisteret tunneling som et værktøj til at identificere og karakterisere den sammenhængende kobling mellem Majorana-fermioner af forskellige par."

Metoden, som forskerne har brugt, er ret enkel. Det indebærer måling af den gennemsnitlige afgiftsbesættelse af en dobbelt-ø-struktur, der er vært for Majorana nul-tilstande, samtidig med at der påføres en mikrobølgetone på en næsten metallisk struktur, der overvejende er koblet til en af ​​strukturens øer.

For at deres teknik skal virke, forskerne skulle udvikle egnede topologiske superledende dobbeltø-strukturer og RF SET ladningssensorer, der kunne indføres i en InAs/AI nanotråd, som igen skulle placeres på et underlag, hvorpå der kunne påføres mikrobølger. Ud over, de skulle omhyggeligt tune alle enhedsknapper og identificere et udvidet område, hvor alle nødvendige betingelser for foton-assisteret tunneling af Majorana nul-tilstande var opfyldt.

Forfatterne arbejdede tæt sammen med et team af forskere med speciale i kvantematerialer, ledet af Peter Krogstrup. Denne gruppe af videnskabsmænd var ansvarlig for at dyrke de ledninger, der blev brugt i eksperimentet.

Ultimativt, materialerne og metoderne, der blev brugt i deres eksperiment, gjorde det muligt for forskerne at observere fotonstøttede tunnelsignaturer ved et begrænset magnetfelt, inducerer 1e gate-periodicitet i begge øer. Ikke desto mindre, man bør være forsigtig, når man fortolker deres resultater, da deres blot er et foreløbigt resultat.

"Det mest bemærkelsesværdige aspekt af vores undersøgelse ligger i den interne overensstemmelse mellem de forskellige målinger og observationer præsenteret i papiret, sammen med andet arbejde af andre i vores samme forskningsmiljø, " sagde van Zanten. "Hver af vores målinger indikerer uafhængigt tilstedeværelsen af ​​diskrete tilstande ved nul energi på begge øer, et billede, der stemmer overens med Majorana nul-tilstande. Den interne konsistens antyder, at vores fortolkning er gyldig, men beviser det Majorana-kobling? Ingen."

Ifølge forskerne, andre fermioniske tilstande, der forekommer ved nulenergi, kunne også konstrueres på en måde, der ligner Majorana-nultilstande. Af denne grund, deres resultater, sammen med lignende, der tidligere er indsamlet af andre hold, bør betragtes som fortolkninger snarere end fakta.

"Hvilken eksisterende fortolkning er mest rimelig, er genstand for debat, som er drevet af de mange forskellige resultater indsamlet af forskellige grupper, " sagde Marcus. "Det, vi har vist, er, at på højt felt, der er en diskret tilstand i ledningerne ved nul energi (præcis hvor en Majorana ville opholde sig), og at vi ved at indstille et kryds kan koble og frakoble disse nul-energi tilstande, måling af deres koblingsstyrke."

Den nylige undersøgelse udført af det københavnske hold giver nye observationer, der kan føjes til puljen af ​​fund relateret til nultilstande i Majorana-ledninger indsamlet af forskellige forskerhold i løbet af det sidste årti eller deromkring. I fremtiden, deres arbejde kunne tjene som grundlag for nye undersøgelser, der undersøger disse staters potentiale for at øge sikkerheden ved kvanteteknologi.

"I vores næste undersøgelser, vi vil gerne bruge materialesystemer, der er nemmere at arbejde med, " sagde Marcus. "De nanotråde, vi brugte, var en god start, men at placere individuelle ledninger i hånden er ingen måde at bygge et netværk af Majoranas på. Materialer er nøglen til fremskridt på dette område:nye materialer, renere materialer, materialer, der er nemmere at arbejde med."

Ud over at gentage deres eksperiment med forskellige materialer, forskerne planlægger at udføre undersøgelser med multi-junction-systemer. Faktisk, tidligere forskningsbeviser tyder på, at systemer med flere junctions muliggør skabelsen af ​​enheder, der er mere sofistikerede og interessante.

"Vi vil nu også gerne introducere andre øjne i udviklingen af ​​vores system, som ville give os mulighed for hurtigt og sikkert at skelne mellem nultilstande, der kan skjule kvanteinformation, og dem, der ikke kan, Marcus og van Zanten sagde. "Fletningen af ​​Majorana nul-tilstande er en vigtig demonstration af, at vores nulenergitilstande besidder den nøgleegenskab, der er nødvendig for informationsbeskyttelse, men den måling er ikke foretaget. Vores nuværende eksperiment introducerer den grundlæggende teori, men nu bliver materialeforskere og eksperimenter nødt til at teste det."

© 2020 Science X Network