Majorana-gebonden toestanden in eendimensionale systemen

Een van de belangrijkste problemen in quantum computing blijft de inherente instabiliteit van quantumbits. In de zoektocht naar fouttolerante quantumcomputers wordt verwacht dat topologische quantumbits aanzienlijk minder foutgevoelig zullen zijn. Cruciaal voor deze qubits zijn quasideeltjes, Majorana-gebonden toestanden genaamd, waarvan voorspeld is dat ze aan de tegenovergestelde randen van eendimensionale supergeleidende systemen verschijnen.

Hoofdauteur Srijit Goswami: "Jarenlang heeft deze zoektocht naar Majorana-gebonden toestanden zich gericht op uitgebreide eendimensionale hybride halfgeleider-supergeleider-apparaten. Deze systemen bleken echter te lijden aan wanorde, wat het zeer moeilijk maakt om Majorana-gebonden toestanden betrouwbaar te ontwerpen en ze in detail te bestuderen. Je bent in wezen overgeleverd aan de kwaliteit van het materiaal."

Kitaev-ketens met drie kunstmatige atomen

Om een ​​zeer gecontroleerd modelsysteem te creëren, keerde het Delftse team terug naar het basismodel van Kitaev, dat in 2000 Majorana's voorspelde. Ze creëerden een systeem 'blok voor blok' in een keten van kunstmatige atomen, quantum dots (QD's) genaamd. Deze techniek stelde hen in staat om Majorana-gebonden toestanden op een systematische en deterministische manier te construeren.

In de afgelopen jaren heeft onderzoek bij QuTech, dankzij een sterke gezamenlijke inspanning van theoretici en experimentele teams die aan verschillende materiaalplatforms werken, het begrip van deze Kitaev-ketens aanzienlijk vergroot. Beginnend met de studie van two-site-ketens in nanodraden en tweedimensionale elektronengassen (2DEG's), is het nu mogelijk geworden om deze ketens uit te breiden en te begrijpen hoe de eigenschappen van de Majorana's evolueren. Als aanvulling op recent werk over three-site-ketens in nanodraden, laat dit werk zien hoe 2DEG's kunnen worden gebruikt om Majorana's systematisch te creëren, te manipuleren en te onderzoeken.

De stabiliteit van topologische qubits is afhankelijk van de aanwezigheid van een 'bulk-gap', die de twee Majorana-gebonden toestanden fysiek scheidt en voorkomt dat ze elkaar 'annihileren'. In het modelsysteem van het Delftse team fungeert de middelste kwantumdot als een instelbare bulk-gap, die selectief aanwezig of verwijderd kan worden. "Wanneer we deze gap verwijderen, zijn de Majorana-gebonden toestanden op de buitenste kwantumdots niet langer stabiel, precies zoals Kitaev voorspelde", aldus Ten Haaf. "Het Kitaev-model is erg vereenvoudigd. Het is een speelgoedmodel. Ik was verrast hoe goed onze waarnemingen hiermee overeenstemden."

Hoewel er al eerder signaturen van Majorana-gebonden toestanden zijn gerapporteerd, is dit het eerste werk waarbij een minimaal modelsysteem wordt gebruikt om gelijktijdig te onderzoeken wat er aan de linker-, middelste en rechterzijde gebeurt.

Verplaatsen van Majorana's

De auteurs maakten ook gebruik van hun controle over het systeem om aan te tonen dat de locatie van Majorana's van de ene kwantumdot naar de andere kan worden verplaatst. Dit vermogen om Majorana's te verplaatsen is belangrijk voor topologische quantumcomputing. In deze langverwachte technologie worden de posities van de Majorana's verwisseld om complexe vlechtpatronen te creëren die informatie coderen op een manier die bestand is tegen willekeurige fouten.

Het Delftse team is van plan om meer quantum dots toe te voegen, zodat ze de posities van twee Majorana's daadwerkelijk kunnen verwisselen. "Een T-vorm van zes quantum dots stelt ons in staat om vlechtbewerkingen te testen en een eenvoudige qubit te creëren", legt Goswami uit. "Het zal niet de beste qubit zijn, maar het zal wel onderzoek naar de fundamentele eigenschappen van Majorana's mogelijk maken."

Goswami: "Wat mij veel meer fascineert dan het bouwen van een quantumcomputer met onze quantum dots, is ontdekken hoe deze Majorana's werken en wat we ermee kunnen doen. Hoe interacteren ze? Hoe koppelen ze? Dat zijn de dingen die we proberen te ontdekken."