Majorana vai topologinen kubitti

Topologiset kubitit voivat ylivoimaisten ominaisuuksiensa ansiosta saavuttaa läpimurron universaaleihin sovelluksiin suunnitellun kvanttitietokoneen kehityksessä. Toistaiseksi kukaan ei ole vielä onnistunut osoittamaan yksiselitteisesti tällaista kvanttibittiä eli kubittia laboratoriossa.

Forschungszentrum Jülichin tiedemiehet ovat nyt kuitenkin tehneet tästä jonkin verran totta. Ensimmäistä kertaa he onnistuivat integroimaan topologisen eristeen tavanomaiseen suprajohtavaan kubittiin.

Kvanttitietokoneita pidetään tulevaisuuden tietokoneina. Kvanttiefektien avulla ne lupaavat tarjota ratkaisuja erittäin monimutkaisiin ongelmiin, joita perinteiset tietokoneet eivät pysty käsittelemään realistisessa ajassa. Tällaisten tietokoneiden laaja käyttö on kuitenkin vielä kaukana. Nykyiset kvanttitietokoneet sisältävät yleensä vain pienen määrän kubitteja. Suurin ongelma on, että ne ovat erittäin alttiita virheille. Mitä suurempi järjestelmä, sitä vaikeampaa on eristää se täysin ympäristöstään.

Siksi monia toiveita on kiinnitetty uudentyyppiseen kvanttibittiin – topologiseen kubittiin. Tätä lähestymistapaa noudattavat useat tutkimusryhmät sekä yritykset, kuten Microsoft.

Tämän tyyppisellä kubitilla on se erityispiirre, että se on topologisesti suojattu; suprajohteiden erityinen geometrinen rakenne sekä niiden elektronisten materiaalien erityisominaisuudet varmistavat kvantti-informaation säilymisen.

Topologisten kubittien katsotaan siksi olevan erityisen vankkoja ja suurelta osin immuuneja ulkoisen dekoherenssin lähteille. Ne näyttävät myös mahdollistavan niin nopeat kytkentäajat, jotka ovat verrattavissa Googlen ja IBM:n nykyisissä kvanttiprosessoreissa käyttämien tavanomaisten suprajohtavien kubittien saavutuksiin.

Vielä ei kuitenkaan ole selvää, onnistummeko koskaan todella tuottamaan topologisia kubitteja. Tämä johtuu siitä, että sopivaa materiaalipohjaa ei vielä ole, jotta tätä varten tarvittavia erityisiä kvasihiukkasia voitaisiin epäilemättä tuottaa kokeellisesti.

Nämä kvasihiukkaset tunnetaan myös nimellä Majorana. Tähän asti ne on voitu osoittaa yksiselitteisesti vain teoriassa, mutta ei kokeissa.

Forschungszentrum Jülichin PGI-9 -instituutissa toimineen tohtori Peter Schüffelgenin johtama tutkimusryhmä on nyt ensimmäistä kertaa rakentanut hybridikubitit, jotka avaavat nyt uusia mahdollisuuksia tällä alueella. Ne sisältävät jo topologisia materiaaleja ratkaisevissa kohdissa. Siksi tämä uudenlainen hybridi-kubitti tarjoaa tutkijoille uuden kokeellisen alustan topologisten materiaalien käyttäytymisen testaamiseksi erittäin herkissä kvanttipiireissä.

Haastattelu tutkimuksen tilasta

Tohtori Peter Schüffelgen, PGI-9:n topologisen kvanttilaskennan työryhmän johtaja, ja tutkimusjulkaisun johtava kirjoittaja Tobias Schmitt antavat katsauksen tutkimuksen nykytilanteeseen ja sen taustaan nykyisestä työstä.

Mikä hybridi-kubitti oikein on?

Käsittelemämme kubitti on uusi transmonkubitti. Transmonit ovat nykypäivän suprajohtavien kvanttitietokoneiden selkäranka, ja markkinajohtajat, kuten IBM, Google ja Rigetti, käyttävät niitä uusimmissa kvanttiprosessoreissa. Transmonin ydinkomponentti on Josephson-liitos, joka koostuu kahdesta suprajohtavasta elektrodista, jotka on erotettu toisistaan ohuella eristekerroksella. Tavanomaisissa transmoneissa käytetyn normaalin eristeen sijaan olemme nyt ensimmäistä kertaa onnistuneet integroimaan topologisen eristeen kahden suprajohtavan elektrodin väliin.

Tätä kutsutaan hybridi-kubitiksi, koska suprajohteen lisäksi piiriin on integroitu toinen kvanttimateriaali, topologinen eriste. Kuten tavanomaisten transmonien tapauksessa, kvanttitilat määritellään tässä suprajohtavan kvanttipiirin värähtelyvirroilla. Hybridikubitissamme nämä virrat kulkevat kuitenkin topologisen eristeen läpi. Modifioitu laitteemme toimii siis hyvin samalla tavalla kuin perinteinen transmon-kubitti, mutta tarjoaa laajemman valikoiman mahdollisia sovelluksia topologisen eristeen erityisominaisuuksien ansiosta.

Topologiset eristeet saavat tällä hetkellä paljon huomiota tutkimuksessa, ja niiden teoreettinen löytö palkittiin fysiikan Nobel-palkinnolla vuonna 2016.

Mikä tekee näistä materiaaleista niin erikoisia?

Topologiset eristeet edustavat täysin uutta materiaaliluokkaa. Kun kolmiulotteisen topologisen eristeen sisäpuoli eristää, kaksiulotteinen pinta käyttäytyy kuin johtava metalli.

Topologisen eristeen metallipinnalla on myös toinen erityispiirre: sen sisältämillä elektroneilla on erityisiä ominaisuuksia. Niiden spin – eräänlainen elektroneille tyypillinen pyöriminen oman akselinsa ympäri – riippuu elektronien tarkasta suunnasta. Tämä tarkoittaa, että elektronilla, joka liikkuu tiettyyn suuntaan, esimerkiksi vasemmalle, on hyvin spesifinen spin - esimerkiksi "ylös". Vastaavasti muilla vastakkaiseen suuntaan liikkuvilla elektroneilla on täsmälleen päinvastainen spin - tässä tapauksessa "alas".

Integroimalla nämä erityiset kvanttimateriaalit suprajohtaviin piireihin, toivotaan saavuttavan uusi kubitti, joka tunnetaan topologisena tai Majorana-kubittina, jolla on luontainen suoja kvanttivirheitä vastaan.

Tämän tyyppisen kubitin odotetaan tarjoavan pitkiä koherenssiaikoja – kvanttitilojen eliniän mitta – ja mahdollistavan myös nopeat kytkentäajat. Yhdellä alustalla se yhdistää kahden tärkeimmän kilpailevan kubit-alustan edut, nimittäin ioniloukut, joilla on pitkät koherenssiajat ja transmonit, joilla on nopeat kytkentä- tai porttiajat.

Mikä on uuden hybridikubitin merkitys topologisten kubittien tutkimukselle ja kehitykselle?

Tärkeä askel Majorana -kubittien saavuttamisessa on topologisten eristeiden integrointi suprajohtaviin kvanttipiireihin. Ja juuri sen olemme saavuttaneet viimeisimmässä tutkimuksessamme. Sen sijaan, että integroimme topologisen eristeen suoraan monimutkaiseen Majorana-kubittiin, integroimme sen tutkimuksessamme ensin tavanomaiseen transmon-kubittiin, koska tiedämme jo, kuinka se käyttäytyy.

Vuosien intensiivisestä tutkimuksesta ja kehityksestä huolimatta kukaan ei ennen meitä ole onnistunut integroimaan topologisia eristeitä suprajohtaviin kvanttipiireihin. Tämä johtuu pääasiassa siitä, että topologiset eristeet ovat erittäin herkkiä ilmalle. Heti kun ne poistetaan ultrakorkeasta tyhjiöstä, jossa ne valmistetaan ja altistetaan ilmalle, ne menettävät usein erityisominaisuutensa.

Menestyksemme avain oli rakentaa osia varsinaisesta kubitista tyhjiössä, jotta topologinen eriste ei haurastu joutuessaan kosketuksiin ilman kanssa. Ydinkomponentti – Josephson-liitos – valmistettiin siten täysin ultrakorkeassa tyhjiössä ja suojattiin pinnoitteella ennen kuin se saatettiin ympäristöön.

Tämä erityinen valmistustekniikka kehitettiin Forschungszentrum Jülichissä Twenten yliopiston asiantuntijoiden avulla (2019), ja sitä on nyt käytetty ensimmäistä kertaa kubittien tuottamiseen.

Tällä tavalla valmistetut kvanttisirut ovat ensimmäiset topologisiin eristeisiin perustuvat hybridi-kubitit, joissa kvanttikoherenssi on osoitettu. Mittaukset tehtiin yhteistyössä yhteistyökumppaneidemme kanssa Lontoossa ja Kööpenhaminassa erilaisissa matalalämpölaboratorioissa.

Topologisen eristeen integrointi ei suoraan paranna suprajohtavien transmon-kubittien koherenssia tai herkkyyttä virheille. Kuitenkin näiden materiaalien kvanttikoherenssin perusosoitus ja siten niiden yhteensopivuus suprajohtavien kubittien ja suprajohtavien piirien kanssa avaa joukon uusia kokeellisia mahdollisuuksia.

Loppujen lopuksi suprajohtavat kubitit ja suprajohtavat piirit eivät ole vain alusta kvantti-informaation käsittelylle – niitä voidaan käyttää myös topologisten eristeiden yksityiskohtaisempaan tutkimiseen ja lisätodisteiden löytämiseen Majoranan nollamoodista, erityisistä kvasihiukkasista, jotka edustavat topologisten kubittien perusrakennuspalikoita.

Onko tullut vielä käytännön löydöksiä?

Mitä tulee topologisen kubitin kehittämiseen, tuloksemme ovat tärkeä askel kohti teknistä toteutusta. Esimerkiksi jotkin Majorana-kubittien lukemisen konseptit ehdottavat niiden integrointia suprajohtaviin kubittipiireihin. Tämä lähestymistapa hyötyy kypsästä ohjaus- ja lukuteknologiasta, joka on kehitetty perinteisille suprajohtaville kubiteille. Työmme osoittaa, että topologisia eristeitä voidaan integroida tällaisiin piireihin skaalautuvalla tavalla.

On myös syytä korostaa, että ultrakorkea tyhjiöprosessimme ei rajoitu topologisiin eristeisiin. Laaja valikoima materiaaleja, jotka on kasvatettu valikoivasti piillä, voidaan integroida kubitteihin käyttämällä tekniikkaamme. Tämä on erityisen tärkeää, koska tärkeimpien materiaaliluokkien soveltuvuudesta topologiseen kvanttilaskentaan (InAs ja InSb) käydään tällä hetkellä kriittistä keskustelua.

Taustalla oleva prosessi mahdollistaa monien muiden topologisten materiaalien tehokkaan integroinnin kvanttipiireihin, mukaan lukien jotkut, jotka on tunnistettu vasta äskettäin – ja voisi siten tarjota tärkeän sysäyksen topologisen kvanttilaskennan alalle.

Mitkä ovat seuraavat vaiheet?

Seuraava askeleemme on yrittää demonstroida topologisia ominaisuuksia topologisiin eristeisin perustuvissa hybridikubiteissamme ja löytää todisteita Majoranan nollatiloista näissä laitteissa.

Sen jälkeen, kun onnistuimme integroimaan yksittäisen topologisen eristeen nanolangan transmon-kubitiksi, seuraava askel on integroida kokonainen nanojohtoverkko kvanttipiiriin. Näitä verkkoja tarvitaan tulevissa Majorana-kubiteissa siirtämään Majoranoita toistensa ympäri ja suorittamaan siten topologisesti suojattuja kvanttioperaatioita.

Olemme jo osoittaneet, että näiden verkostojen kasvattaminen on helposti mahdollista Forschungszentrum Jülichissä kehitetyn prosessin avulla

Hanke toteutettiin laajassa kansainvälisessä yhteistyössä yliopistojen ja tutkimuslaitosten välillä Hollannissa, Tanskassa, Isossa-Britanniassa ja Saksassa. Kvanttisirut tuotettiin enimmäkseen Helmholtzin nanolaitoksessa (HNF) Forschungszentrum Jülichissä.

Integration of Topological Insulator Josephson Junctions in Superconducting Qubit Circuits