Karakterisering af materialerne til næste generations kvantecomputere med ikke-lineær optisk spektroskopi

Forskere ved Institut for Fysik og Cluster of Excellence "CUI:Advanced Imaging of Matter" fra Universität Hamburg og University of California i Irvine har for nylig foreslået en ny måde at karakterisere topologiske superledere ved hjælp af multi-THz-pulseksperimenter.

Dette åbner en vej til utvetydigt at identificere forudsagte eksotiske tilstande af stof og kan hjælpe med design af nye materialer til fremtidige enheder, der bærer og behandler kvanteinformation.

Forskere over hele verden arbejder på at bygge skalerbare kvantecomputere baseret på faststofstof. En sådan klasse af materialer er topologiske superledere. De påstås at være vært for en bestemt slags kollektiv kvantetilstand, de ikke-abelske anyoner i form af Majorana-fermioner ved deres grænser. Ved at blande disse kvasipartikler rundt i netværk af kvanteledninger kan forskere konstruere logiske kvanteporte, byggestenene i kvantecomputere.

Mass i stedet for grænseegenskaber

Tidlige signaturer på eksistensen af ​​Majoranas blev rapporteret på grundlag af målinger af kvantetransport, men senere viste disse undersøgelser sig at være upålidelige, fordi Majoranas nemt kan forveksles med trivielle grænseexcitationer. Den nye teori har en anden tilgang. I stedet for at undersøge Majoranas ved grænserne af enheden, behandles bulkmaterialet. På grund af den såkaldte "bulk-boundary-korrespondance" er Majoranas tæt forbundet med topologien af ​​bulk-båndstrukturen af ​​superlederen. I en vis forstand oplever partikelexcitationerne i bulkmaterialet et "twist" med Majoranas ved grænserne. Denne stærke sammenkobling kan studeres ved hjælp af todimensionel THz-spektroskopi, en teknik, der er meget udbredt i molekyler og bulkstof.

"I modsætning til 'lineær' absorptionsspektroskopi giver ikke-lineære multi-pulseksperimenter os mulighed for at studere exciterede partiklers optiske respons og dermed hjælpe med at afsløre denne 'drejning' klart, med unikke signaturer af den eksotiske topologiske tilstand i 2D-spektrene," siger prof. Dr. Michael Thorwart fra Universität Hamburg og videnskabsmand i Cluster of Excellence.

Vises i Physical Review Letters , formulerer teoriforslaget et vigtigt skridt mellem påvisningen af ​​de mest basale, men ikke fuldt karakteriserende egenskaber ved Majoranas og den endnu for ambitiøse demonstration af de logiske gate-operationer med ikke-abelske anyoner i form af fletning af Majorana-tilstande.

"Sådanne optiske teknikker giver spektroskopisk information ud over billeddannelse og giver mulighed for en utvivlsom karakterisering af topologiske materialer. Som sådan kan de bygge en bro til deres fjerne anvendelser inden for kvanteteknologier," tilføjer Felix Gerken, hovedforfatter og Ph.D. studerende ved CUI-Graduate School of the Cluster of Excellence. + Udforsk yderligere

Majorana-fermioner rummer potentiale for informationsteknologi uden modstand