En vej til grafen topologiske qubits

I kvanteriget, elektroner kan gruppere sig for at opføre sig på interessante måder. Magnetisme er en af ​​disse adfærd, som vi ser i vores daglige liv, ligesom de sjældnere fænomener med superledning. Spændende nok, disse to adfærd er ofte antagonister, hvilket betyder, at eksistensen af ​​en af ​​dem ofte ødelægger den anden. Imidlertid, hvis disse to modsatte kvantetilstande tvinges til at eksistere kunstigt sammen, en undvigende tilstand kaldet en topologisk superleder opstår, hvilket er spændende for forskere, der forsøger at lave topologiske qubits.

Topologiske qubits er spændende som en af ​​de potentielle teknologier for fremtidige kvantecomputere. I særdeleshed, topologiske qubits danner grundlaget for topologisk kvanteberegning, hvilket er attraktivt, fordi det er meget mindre følsomt over for interferens fra omgivelserne, der forstyrrer målingerne. Imidlertid, design og styring af topologiske qubits er forblevet et kritisk åbent problem, i sidste ende på grund af vanskeligheden ved at finde materialer, der er i stand til at være vært for disse stater, såsom topologiske superledere.

For at overvinde det uhåndgribelige ved topologiske superledere, som er bemærkelsesværdigt svære at finde i naturlige materialer, fysikere har udviklet metoder til at konstruere disse tilstande ved at kombinere almindelige materialer. De grundlæggende ingredienser til at konstruere topologiske superledere - magnetisme og superledning - kræver ofte at kombinere dramatisk forskellige materialer. Hvad mere er, at skabe et topologisk superledende materiale kræver at man kan finjustere magnetismen og superledningsevnen, så forskere skal bevise, at deres materiale kan være både magnetisk og superledende på samme tid, og at de kan kontrollere begge ejendomme. I deres søgen efter et sådant materiale, forskere har vendt sig til grafen.

Grafen - et enkelt lag af kulstofatomer - repræsenterer et meget kontrollerbart og almindeligt materiale og er blevet rejst som et af de kritiske materialer til kvanteteknologier. Imidlertid, sameksistensen af ​​magnetisme og superledning er forblevet uhåndgribelig i grafen, trods langvarige eksperimentelle bestræbelser, der demonstrerede eksistensen af ​​disse to stater uafhængigt af hinanden. Denne grundlæggende begrænsning repræsenterer en kritisk hindring for udviklingen af ​​kunstig topologisk superledning i grafen.

I et nyligt gennembrudseksperiment, forskere ved UAM i Spanien, CNRS i Frankrig, og INL i Portugal, sammen med teoretisk støtte fra prof. Jose Lado ved Aalto Universitet, har demonstreret et indledende skridt langs en vej mod topologiske qubits i grafen. Forskerne viste, at enkelte lag af grafen kan være vært for samtidig magnetisme og superledning, ved at måle kvanteexcitationer, der er unikke for dette samspil. Dette gennembrudsfund blev opnået ved at kombinere magnetismen af ​​krystaldomæner i grafen, og superledningsevnen af ​​aflejrede metalliske øer.

"Dette eksperiment viser, at to vigtige paradigmatiske kvanteordener, superledningsevne, og magnetisme, kan samtidig eksistere side om side i grafen, " sagde professor Jose Lado, "Ultimativt, dette eksperiment viser, at grafen samtidigt kan være vært for de nødvendige ingredienser til topologisk superledning. Mens vi i det nuværende eksperiment endnu ikke har observeret topologisk superledning, ved at bygge oven på dette eksperiment kan vi potentielt åbne en ny vej mod kulstofbaserede topologiske qubits."

Forskerne inducerede superledning i grafen ved at deponere en ø af en konventionel superleder tæt på korngrænser, danner naturligt sømme i grafenet, som har lidt anderledes magnetiske egenskaber end resten af ​​materialet. Superledningsevnen og korngrænsemagnetismen blev vist at give anledning til Yu-Shiba-Rusinov-stater, som kun kan eksistere i et materiale, når magnetisme og superledning sameksisterer sammen. De fænomener, som holdet observerede i eksperimentet, stemte overens med den teoretiske model udviklet af professor Lado, viser, at forskerne fuldt ud kan kontrollere kvantefænomenerne i deres designer-hybridsystem.

Demonstrationen af ​​Yu-Shiba-Rusinov-tilstande i grafen er det første skridt mod den ultimative udvikling af grafen-baserede topologiske qubits. I særdeleshed, ved omhyggeligt at kontrollere Yu-Shiba-Rusinov-staterne, topologisk superledning og Majorana-tilstande kan skabes. Topologiske qubits baseret på Majorana-tilstande kan potentielt drastisk overvinde begrænsningerne af nuværende qubits, beskyttelse af kvanteinformation ved at udnytte naturen af ​​disse ukonventionelle stater. Fremkomsten af ​​disse tilstande kræver omhyggelig kontrol af systemparametrene. Det nuværende eksperiment etablerer det kritiske udgangspunkt for dette mål, som kan bygges på for forhåbentlig at åbne en forstyrrende vej til kulstofbaserede topologiske kvantecomputere.