Nieuwe aanpak van Majorana-onderzoek met korte nanodraden
Onderzoekers en ingenieurs van QuTech en de Technische Universiteit Eindhoven hebben Majorana-deeltjes gemaakt en hun eigenschappen met grote nauwkeurigheid gemeten. Deze Majorana's zijn zogenaamde 'sobere Majorana's', gebaseerd op twee quantumdots in een nanodraad, die kunnen worden opgeschaald tot een grotere keten van quantumdots met bestendiger Majorana-gedrag. Majoranadeeltjes zijn één van meerdere veelbelovende kandidaten voor stabiele quantumbits, de bouwstenen van quantumcomputers. De onderzoekers hebben hun resultaten gepubliceerd in het tijdschrift Nature.
Quantumcomputers zijn een revolutionaire technologie, die het potentieel hebben om bepaalde problemen veel sneller op te lossen dan klassieke computers. Dat komt omdat zij gebruik maken van quantumbits, of qubits, die tegelijkertijd een 0 en een 1 kunnen vertegenwoordigen. Hierdoor kunnen quantumcomputers meerdere berekeningen tegelijk uitvoeren. De toepassing van quantumcomputers en qubits biedt aanzienlijke mogelijkheden op verschillende gebieden, waaronder de ontwikkeling van medicijnen, financiële modellering en cryptografie.
Het Majorana-deeltje
"Majoranadeeltjes kunnen tot een type qubit worden gemaakt en hebben vanwege hun unieke eigenschappen de aandacht getrokken," legt eerste auteur Tom Dvir uit, postdoctoraal onderzoeker bij QuTech — het onderzoeksinstituut voor quantumtechnologie van de TU Delft en TNO. Hij vervolgt: "In tegenstelling tot conventionele qubits, die gebaseerd zijn op de eigenschappen van individuele deeltjes zoals elektronen, zijn qubits gebaseerd op Majorana-deeltjes weerbaarder tegen bepaalde soorten quantumfouten. Die vertegenwoordigen namelijk een enorme uitdaging de ontwikkeling van schaalbare quantumcomputers."
Zijn collega en mede-eerste auteur Guanzhong Wang voegt daaraan toe: "De wenselijke eigenschappen van de Majorana-deeltjes, en hun exotische aard die het mogelijk maakt om nieuwe wetenschappelijke verschijnselen waar te nemen, motiveerden een grote onderzoeksinspanning, aanvankelijk door de academische wereld en later ook door de industrie. Het onderzoek tot nu toe was voornamelijk gebaseerd op materiaalsynthese, met als doel de juiste materiaaleigenschappen te ontwikkelen, zodat de apparaten die ermee gemaakt zijn direct te gebruiken zijn bij lage temperaturen."
De nieuwe aanpak verlegt de aandacht naar elektrische controle. Dat betekent dat we bij lage temperaturen de opstelling kunnen bestuderen en afstellen, om zo de juiste omstandigheden te scheppen waarin Majorana's verschijnen.
Ketting van quantumdots om halve elektronen te scheiden
Wang: "In tegenstelling tot gewone qubits verschijnen Majorana's altijd in paren en vormt ieder paar een gedelokaliseerd elektron. Dat betekent dat één deel van het Majorana-deeltje zich aan de ene kant van een nanodraad kan bevinden en het andere deel aan de andere kant. Om het Majorana-deeltje te kunnen manipuleren, moeten we beide uiteinden tegelijkertijd beïnvloeden. Dat maakt ze aantrekkelijk voor quantumberekeningen, want als één deel wordt getroffen door ruis, blijft de andere helft ongedeerd."
De onderzoekers beginnen met het produceren van twee quantumdots dicht bij elkaar, gescheiden door een korte halfgeleider/supergeleider nanodraad. De quantumdots worden op twee manieren elektrisch met elkaar verbonden. De eerste is door elektronen die tussen beide dots heen en weer pendelen. De tweede is door elektronenparen die gelijktijdig de halfgeleider/supergeleider nanodraad betreden en verlaten. De onderzoekers hebben een nieuwe methode laten zien om beide processen, de sleutel tot de vorming van de Majorana-deeltjes, zeer nauwkeurig te beheersen.
Artistieke impressie van de Kitaev-keten in twee gekoppelde kwantumstippen (wit met zwarte pijlen) waarin de grotere groene pijlen het Majorana-deel van het systeem voorstellen en de kleine witte stippen met pijlen de elektronen en hun spin. Beeldend kunstenaar: Bar Dvir.
Toekomstige activiteiten
"Momenteel werken we met een vereenvoudigde versie van Majoranas," legt Dvir uit, "met slechts twee quantumdots. Ons uiteindelijke doel is om meer veel dots te gebruiken, al misschien maar vijf, zodat de elektronenhelften verder uit elkaar kunnen worden gedreven. Hoe verder de Majorana-deeltjes gescheiden zijn, hoe beter de resulterende qubits beschermd zijn tegen ruis."
“De moeilijkheid om meer dots aan het systeem toe te voegen zal naar verwachting niet exponentieel, maar lineair toenemen. Dat is omdat we elk punt afzonderlijk kunnen afstellen, waardoor we veel gemakkelijker de ideale configuratie kunnen vinden.”
Hoofdonderzoeker Leo Kouwenhoven: " Als we naar de toekomst kijken, zijn er twee belangrijke doelstellingen. De eerste is het maken van een volledige topologische Majorana op basis van de sobere Majorana's in dit werk. Het tweede doel is om van deze Majorana's qubits te maken. Dat vergt meerdere exemplaren van het systeem en verdere verfijning."
Publicatiedetails
Tom Dvir, Guanzhong Wang, Nick van Loo, Chun-Xiao Liu, Grzegorz Mazur, Alberto Bordin, Sebastiaan ten Haaf, Ji-Yin Wang, David van Driel, Francesco Zatelli, Xiang Li, Filip Malinowski, Sasa Gazibegovic, Ghada Badawy, Erik Bakkers, Michael Wimmer & Leo Kouwenhoven, Realization of a minimal Kitaev chain in coupled quantum dots, Nature (2023), DOI
