Majoranas manipuleren

Onderzoekers van QuTech in Delft hebben supergeleiders en quantum dots gecombineerd om ‘Majorana bound states’ te observeren en manipuleren. Deze toestanden hebben eigenschappen die stabiele kwantumcomputatie mogelijk zouden kunnen maken. Door een keten van drie gekoppelde kwantumdots te bouwen in een tweedimensionaal elektrongas, konden ze eigenschappen van Majoranas aantonen die essentieel zijn voor het onderzoek naar op Majorana gebaseerde kwantumbits.

Een van de grootste uitdagingen in kwantumcomputing blijft de inherente instabiliteit van kwantumbits. Men verwacht echter dat topologische kwantumbits aanzienlijk minder gevoelig zijn voor fouten. Cruciaal voor deze qubits zijn kwasideeltjes genaamd ‘Majorana bound states’, waarvan is voorspeld dat ze verschijnen aan tegenovergestelde randen van eendimensionale supergeleidende systemen.

Senior auteur Srijit Goswami: “Jarenlang richtte de zoektocht naar ‘Majorana bound states’ zich op uitgebreide eendimensionale halfgeleider-supergeleider hybride systemen. Deze systemen bleken echter gevoelig voor wanorde, wat het erg moeilijk maakt om ‘Majorana bound states’ betrouwbaar te construeren en in detail te bestuderen. Je bent in feite overgeleverd aan de materiaalkwaliteit.”

Kitaev-ketens met drie kunstmatige atomen

Om een sterk gecontroleerd modelsysteem te creëren, keerde het Delftse team terug naar het oorspronkelijke ‘Kitaev model‘ dat in 2000 Majoranas voorspelde. Ze bouwden een systeem ‘blok voor blok’ in een keten van kunstmatige atomen, zogenaamde ‘quantum \dots’ (QDs). Deze techniek stelde hen in staat om “Majorana bound states” op een systematische en deterministische manier te construeren.

In de afgelopen jaren heeft onderzoek bij QuTech het begrip van deze ‘Kitaev chains’ verdiept middels samenwerking tussen theoretici en experimentele teams op verschillende materiaalplatforms. Beginnend met het bestuderen van ketens met twee sites in nanodraden en tweedimensionale elektrongassen (2DEGs), is het nu mogelijk geworden om deze ketens uit te breiden en te begrijpen hoe de eigenschappen van de Majoranas zich ontwikkelen. Als aanvulling op recent werk aan drie-site ketens in nanodraden, toont dit onderzoek aan hoe 2DEGs systematisch kunnen worden gebruikt om Majoranas te creëren, manipuleren en onderzoeken.

De stabiliteit van topologische qubits berust op de aanwezigheid van een ‘bulk-gap’, die de twee ‘Majorana bound states’ fysiek van elkaar scheidt en voorkomt dat ze elkaar ‘annuleren’. In het modelsysteem van het Delftse team fungeert de middelste quantum dot als een instelbare ‘bulk-gap’, die selectief aanwezig kan zijn of verwijderd kan worden. “Wanneer we deze gap verwijderen, zijn de ‘Majorana bound states’ op de buitenste quantum dots niet langer stabiel, precies zoals Kitaev voorspelde,” zegt ten Haaf. “Het Kitaev-model is erg vereenvoudigd. Het is een speelgoedmodel. Ik was verrast hoe goed onze observaties ermee overeenkwamen.”

Hoewel eerder al signalen van ‘Majorana bound states’ zijn gerapporteerd, is dit het eerste onderzoek dat een minimaal modelsysteem gebruikt om gelijktijdig te onderzoeken wat er gebeurt aan de linker-, midden- en rechterzijde.

Moving Majoranas around

De auteurs benutten ook hun controle over het systeem om aan te tonen dat de locatie van Majoranas verplaatst kan worden van de ene QD naar de andere. Deze mogelijkheid om Majoranas te verplaatsen is belangrijk voor topologische quantumcomputing. In deze lang gezochte technologie worden de posities van de Majoranas verwisseld om ingewikkelde vlechtpatronen te creëren die informatie coderen op een manier die robuust is tegen willekeurige fouten.

Het Delftse team is van plan om meer kwantumdots toe te voegen zodat ze daadwerkelijk de posities van twee Majoranas kunnen verwisselen. “Een T-vorm gemaakt van zes kwantumdots stelt ons in staat om vlechtoperaties te testen en een basale qubit te creëren,” aldus Goswami. “Het zal niet de beste qubit zijn, maar het stelt ons in staat om de fundamentele eigenschappen van Majoranas te bestuderen.”