Majoranan metsästystä

Tutkijat yhdistivät grafeenin kidevirheistä aiheutuvan magneettisuuden sekä grafeenin pinnalle kerrostettujen pienenpienten metallisaarekkeiden vaikutuksesta muodostuvan suprajohtavuuden. Kuva: Jose Lado, Aalto-yliopisto.

Topologiset kubitit ovat kiinnostava vaihtoehto tulevaisuuden kvanttitietokoneisiin, koska ne eivät ole yhtä herkkiä ympäristön häiriötekijöille kuin perinteiset kubitit.

Nyt Espanjan AUM-yliopiston, Ranskan kansallisen CNRS-tutkimuskeskuksen ja Portugalin INL-nanotutkimuslaboratorion kokeelliset tutkijat ovat Aalto-yliopiston professori Jose Ladon teoreettisen osaamisen tuella onnistuneet ottamaan ensimmäisen askeleen kohti grafeenista tehtyjä topologisia kubitteja.

Tutkijat onnistuivat kokeellisesti hallitsemaan tarkasti suunniteltua ja teoreettisesti mallintamaansa systeemiä, ja sen avulla havaitsemaan grafeenissa samanaikaisesti sekä magneettisuuden että suprajohtavuuden. Yhdistelmän osoitettiin synnyttävän Yu-Shiba-Rusinov-tiloja, jotka voivat esiintyä materiaalissa vain, kun magnetismi ja suprajohtavuus esiintyvät rinnakkain.

”Tässä tutkimuksessa emme vielä pystyneet havaitsemaan topologista suprajohtavuutta, mutta jatkamme tutkimusta kohti hiilipohjaisia topologisia kubitteja”, Lado sanoo. Tutkimuksessa tuotettu Yu-Shiba-Rusinov-tilojen esittely grafeenissa on ensimmäinen askel kohti grafeenipohjaisten topologisten kubittien lopullista kehittämistä. Erityisesti hallitsemalla huolellisesti näitä YSR-tiloja, voidaan luoda topologinen suprajohtavuus ja hankalasti havaittavia Majorana-tiloja.

Majoranatiloihin perustuvat topologiset kubitit voivat mahdollisesti ratkaista tehokkaasti nykyisten kubittien rajoitukset ja suojata kvantti-informaatiota hyödyntämällä erityisiä Majoranan nollamoodeja (MZM). Ne ovat fermionisia tiloja, joista kukin on itsensä antipartikkeli.

Myös Marylandin yliopiston tutkijat ovat äskettäin tunnistaneet kokeellisesti aiempaa toteuttamiskelpoisemman tavan tuottaa Majorana-fermioneja. Tutkimusjulkaistussaan he osoittavat, että pelkkä fyysinen järjestelmä voi toimia joustavana alustana tarkkailla ja manipuloida näitä hiukkasia.

Marylandin tutkijoiden mukaan alustan hyödyllisyys johtuu sen yksinkertaisuudesta. Se perustuu ohutkalvoiseen rautapohjaiseen suprajohtavaan materiaaliin, jotka mukauttavat luonnollisesti kierteisiä Majoranan fermioneja jotka liikkuvat järjestelmän reunoja pitkin haluamaansa suuntaan.

Tämä johtuu erityisestä "aikakäänteisestä" symmetriasta, jossa vasemmalle ja oikealle liikkuvien kvasipartikkelien vaihtaminen näyttää siltä, että aika etenee taaksepäin järjestelmässä.

Tutkijoiden ohuilla kalvoilla MZM:ien valmistaminen kierteisistä Majorana-fermioneista on suhteellisen yksinkertaista. Kun magneettikenttä kohdistetaan järjestelmään, Majorana-tilat siirtyvät levittämisestä järjestelmän reunojen ympärille lokalisoituen sen kulmiin.

Magneettikentän kääntäminen vaikuttaa kuljettamaan kukin Majorana-tila kulmasta toiseen. Tätä magneettinuppia voidaan käyttää Majoranan "punontaan", joka on logiikkaporttien - laskennan suorittamiseen tarvittavien ohjattujen toimintojen - kulmakivi topologisissa kvanttitietokoneissa.

Aiheesta enemmän:

Kohti topologisia kubitteja

Salaperäisiä Majorana-fermioneja kultasaarilla

Lasketaan nopeammin kvasihiukkasilla