Askeleen lähempänä topologista kvanttilaskentaa

Kölnin yliopiston johtama kokeellisten fyysikkojen ryhmä on osoittanut, että on mahdollista luoda suprajohtavia vaikutuksia erikoismateriaaleihin, jotka tunnetaan ainutlaatuisista reunasähköisistä ominaisuuksistaan.

Tämä löytö tarjoaa uuden tavan tutkia edistyneitä kvanttitiloja, jotka voivat olla ratkaisevia vakaiden ja tehokkaiden kvanttitietokoneiden kehittämisessä.

Ferromagneettisten topologisten eristemateriaalien ohuet kalvot voivat isännöidä kvanttipoikkeavaa Hall-ilmiötä ilman ulkoisen magneettikentän tarvetta. Cooper-parin indusoiminen tällaisessa materiaalissa on lupaava tapa toteuttaa topologinen suprajohtavuus siihen liittyvien kiraalisten Majoranan reunatilojen kanssa. Kuitenkin todisteiden löytäminen suprajohtavan läheisyyden vaikutuksesta tällaisessa tilassa on edelleen huomattava haaste luontaisten kokeellisten vaikeuksien vuoksi.

Suprajohtavuuden ohella kvanttipoikkeava Hall-ilmiö on toinen ilmiö, joka aiheuttaa nollaresistanssia, mutta kierteellä: se rajoittuu reunoihin eikä leviä kaikkialle. Teoria ennustaa, että suprajohtavuuden ja kvanttipoikkeavan Hall-ilmiön yhdistelmä synnyttää topologisesti suojattuja hiukkasia, joita kutsutaan Majorana-fermioneiksi ja jotka mahdollisesti mullistavat tulevaisuuden teknologiat, kuten kvanttitietokoneet.

Tällainen yhdistelmä voidaan saada aikaan indusoimalla suprajohtavuus kvanttipoikkeavan Hall-eristeen reunaan, joka on jo resistanssivapaa. Tuloksena oleva kiraalinen Majoranan reunatila, joka on Majorana-fermionien erityinen tyyppi, ja on avain topologisesti suojattujen "lentävien kubittien" toteuttamiseen.

Tohtoritutkija Anjana Uday professori Yoichi Andon ryhmästä ja paperin ensimmäinen kirjoittaja, selittää: "Tässä tutkimuksessa käytimme kvanttipoikkeavan Hall-eristeen ohuita kalvoja, jotka koskettivat suprajohtavaa niobiumelektrodia ja yritimme aiheuttaa kiraalisia Majorana-tiloja sen reunoilla.

Viiden vuoden kovan työn jälkeen pystyimme vihdoin saavuttamaan tämän tavoitteen: kun injektoimme elektronin eristemateriaalin yhteen napaan, se heijastuu toisessa terminaalissa, ei elektronina vaan aukkona, joka on pohjimmiltaan haamuelektroni, jolla on vastakkainen varaus. Kutsumme tätä ilmiötä crossed Andreev -heijastukseksi, ja sen avulla voimme havaita indusoituneen suprajohtavuuden topologisessa reunatilassa.

Tämä löytö avaa monia mahdollisuuksia tulevalle tutkimukselle. Seuraavat vaiheet sisältävät kokeita kiraalisten Majorana-fermionien syntymisen vahvistamiseksi ja niiden eksoottisen luonteen selvittämiseksi.

Topologisen suprajohtavuuden ja kiraalisten Majoranan reunatilojen ymmärtäminen ja hyödyntäminen voisi mullistaa kvanttilaskentaa tarjoamalla vakaat kubitit, jotka ovat vähemmän herkkiä dekoherenssille ja informaation katoamiselle. Tässä tutkimuksessa esitelty alusta tarjoaa lupaavan tien näiden tavoitteiden saavuttamiseen, mikä saattaa johtaa vankempiin ja skaalautuviin kvanttitietokoneisiin arvioiva tutkija yliopistonsa tiedotteessa.

Tutkimus; "Indusoidut suprajohtavat korrelaatiot kvanttipoikkeavassa Hall-eristeessä", on julkaistu Nature Physicsissä.

Aiheesta aiemmin:

Kohti topologista kvanttilaskentaa

Majoranan metsästystä

Kohti topologisia kubitteja