Lasketaan nopeammin kvasihiukkasilla

Kaksiulotteisen Josephson-liitoksen rakenne: Normaali johtava kaksiulotteinen elektronikaasu, joka on kahden suprajohtimen S (harmaa) välissä. Jos käytössä on tasomainen magneettikenttä, Majorana fermionien odotetaan näkyvän normaalin alueen reunoilla.

Matkalla sellaisiin topologisiin kvanttitietokoneisiin, jotka perustuvat Majorana kvasihiukkasiin, Würzburgin yliopiston fyysikot yhdessä Harvard yliopiston kollegoiden kanssa ovat saavuttaneet merkittävän askeleen.

Kun aikaisemmat tämän alan kokeilut ovat keskittyneet enimmäkseen yksiulotteisiin järjestelmiin Würzburgin ja Harvardin ryhmät ovat onnistuneet menemään kaksiulotteisiin järjestelmiin.

”Majoranan fermionien toteuttaminen on yksi innokkaimmin tutkituista aiheista tiiviin aineen fysiikassa”, toteaa fyysikko Ewelina Hankiewicz. Hänen mukaansa aiemmat toteutukset ovat yleensä keskittyneet yksiulotteisiin järjestelmiin, kuten nanoputkiin. Niissä Majorana fermionien manipulointi on kuitenkin ollut hyvin vaikeaa.

Joidenkin näiden ongelmien välttämiseksi he ovat tutkineet Majorana fermioneja kaksiulotteisessa järjestelmässä, jossa on voimakas spin-kiertorata kytkentä. ”Tutkimamme järjestelmä on vaiheohjattu Josephson-liitos, toisin sanoen kaksi suprajohdetta, jotka on erotettu normaalilla alueella”, fyysikko Laurens Molenkamp kertoo. Suprajohtava vaihe-ero kahden suprajohteen välillä tarjoaa lisänupin, mikä tekee järjestelmän muiden parametrien monimutkaisen hienosäädön ainakin osittain tarpeettomaksi.

Tutkitussa materiaalissa, jossa elohopeatelluridin kvanttikaivo on kytkettynä suprajohtavaan ohutkalvoalumiiniin, fyysikot havaitsivat ensimmäistä kertaa topologisen vaihesiirron, mikä merkitsee Majoranan fermionien esiintymistä vaihekontrolloiduissa Josephson-liitoksissa.

Tutkijoiden mukaan kokeellinen toteutus muodostaa monipuolisen alustan Majorana fermionien luomiseksi, manipuloimiseksi ja hallitsemiseksi, mikä tarjoaa useita etuja verrattuna edellisiin yksiulotteisiin alustoihin.

Samanaikaisesti Majorana fermionien parempi hallinta on tärkeä askel kohti topologisia kvanttitietokoneita.

Seuraavaksi tutkijat aikovat parantaa Josephson-liitoksia ja siirtyä kohti kapeampia normaalialueita. Siitä odotetaan löytyvän enemmän paikallisia Majorana fermioneja.

He tutkivat edelleen myös lisämahdollisuuksia manipuloida Majoranan fermioneja esimerkiksi käyttämällä muita puolijohteita.

Aiheesta aiemmin:

Kvanttipiste mittaa ja kaappaa

Näkymiä kvanttimaailmaan