Forskere fremmer forståelsen af ​​potentielle topologiske kvantebits

Kvantecomputere lover store fremskridt på mange områder - fra kryptografi til simulering af proteinfoldning. Endnu, hvilket fysiske system der fungerer bedst til at bygge de underliggende kvantebits, er stadig et åbent spørgsmål. I modsætning til almindelige bits i din computer, disse såkaldte qubits kan ikke kun tage værdierne 0 og 1, men også blandinger af de to. Selvom dette potentielt gør dem meget nyttige, de bliver også meget ustabile.

En tilgang til at løse dette problem satser på topologiske qubits, der koder informationen i deres rumlige arrangement. Det kunne give et mere stabilt og fejlresistent grundlag for beregning end andre opsætninger. Problemet er, at ingen nogensinde helt sikkert har fundet en topologisk qubit endnu.

Et internationalt team af forskere fra Østrig, København, og Madrid omkring Marco Valentini fra Nanoelektronik-gruppen i IST Austria har nu undersøgt et setup, der blev forudsagt at producere de såkaldte Majorana-nultilstande-kerneingrediensen for en topologisk qubit. De fandt ud af, at et gyldigt signal for sådanne tilstande faktisk kan være et falsk flag.

Halvdelen af ​​en elektron

Den eksperimentelle opsætning består af en lille ledning, der kun er nogle hundrede nanometer - nogle milliontedele af en millimeter - lang, dyrket af Peter Krogstrup fra Microsoft Quantum og Københavns Universitet. Disse passende kaldede nanotråde danner en frit svævende forbindelse mellem to metalledere på en chip. De er belagt med et superledende materiale, der mister al elektrisk modstand ved meget lave temperaturer. Belægningen går helt op til en lille del tilbage i den ene ende af tråden, som udgør en afgørende del af opsætningen:krydset. Hele udstyret udsættes derefter for et magnetfelt.

Forskernes teorier forudsagde, at Majorana -nultilstande - grundlaget for den topologiske qubit, de ledte efter - skulle vises i nanotråden. Disse Majorana -nultilstande er et mærkeligt fænomen, fordi de startede som et matematisk trick til at beskrive en elektron i tråden som sammensat af to halvdele. Som regel, fysikere tænker ikke på elektroner som noget, der kan deles, men ved hjælp af denne nanotrådopsætning burde det have været muligt, så adskil disse "halvelektroner" og brug dem som qubits.

"Vi var begejstrede for at arbejde på denne meget lovende materialeplatform, "forklarer Marco Valentini, der sluttede sig til IST Austria som praktikant, inden han blev ph.d. studerende i Nanoelektronik -gruppen. "Det, vi forventede at se, var signalet om Majorana -nultilstande i nanotråden, men vi fandt ingenting. Først, vi var forvirrede, derefter frustreret. Til sidst, og i tæt samarbejde med vores kolleger fra gruppen Theory of Quantum Materials and Solid State Quantum Technologies i Madrid, vi undersøgte opsætningen, og fandt ud af, hvad der var galt med det. "

Et falsk flag

Efter at have forsøgt at finde signaturerne for Majorana -nultilstandene, forskerne begyndte at variere nanotrådsopsætningen for at kontrollere, om effekter fra dens arkitektur forstyrrede deres eksperiment. "Vi lavede flere forsøg på forskellige opsætninger for at finde ud af, hvad der gik galt, "Forklarer Valentini." Det tog os et stykke tid, men da vi fordoblede længden af ​​det ubelagte kryds fra hundrede nanometer til to hundrede, vi fandt vores synder. "

Da krydset var stort nok skete der følgende:Den eksponerede indre nanotråd dannede en såkaldt kvantepunkt-et lille stykke stof, der viser særlige kvantemekaniske egenskaber på grund af dets begrænsede geometri. Elektronerne i denne kvantepunkt kan derefter interagere med dem i belægningens superleder ved siden af ​​den, og efterligner derved signalet fra "halvelektronerne"-Majorana-nultilstandene-som forskerne ledte efter.

"Denne uventede konklusion kom, efter at vi havde etableret den teoretiske model for, hvordan kvantepunktet interagerer med superlederen i et magnetfelt og sammenlignede de eksperimentelle data med detaljerede simuleringer udført af Fernando Peñaranda, en ph.d. studerende på Madrid -holdet, «siger Valentini.

"Hvis vi tager fejl af dette efterligningssignal for en Majorana -nultilstand, viser vi, hvor forsigtige vi skal være i vores eksperimenter og i vores konklusioner, "Valentini advarer." Selvom dette kan virke som et skridt tilbage i søgen efter Majorana -nultilstande, det er faktisk et afgørende skridt fremad i forståelsen af ​​nanotråde og deres eksperimentelle signaler. Dette fund viser, at opdagelsescyklussen og kritisk undersøgelse blandt internationale jævnaldrende er central for fremme af videnskabelig viden. "