Nieuwe aanpak van Majorana-onderzoek met korte nanodraden

Onderzoekers van QuTech en de TU/e hebben zogenaamde ‘sobere Majorana’s’ gemaakt, gebaseerd op twee kwantumdots in een nanodraad, die kunnen worden opgeschaald tot een grotere keten van kwantumdots met bestendiger Majorana-gedrag.

De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature.

“Majoranadeeltjes kunnen tot een type qubit worden gemaakt en hebben vanwege hun unieke eigenschappen de aandacht getrokken,” zegt eerste auteur Tom Dvir. “In tegenstelling tot conventionele qubits, die gebaseerd zijn op de eigenschappen van individuele deeltjes zoals elektronen, zijn qubits gebaseerd op Majorana-deeltjes weerbaar tegen bepaalde soorten kwantumfouten een enorme uitdaging zijn voor de ontwikkeling van schaalbare kwantumcomputers.”

Ketting van kwantumdots om halve elektronen te scheiden

Mede-eerste auteur Guanzhong Wang: “In tegenstelling tot gewone qubits verschijnen Majorana’s altijd in paren en vormt ieder paar een gedelokaliseerd elektron. Dat betekent dat één deel van het Majorana-deeltje zich aan de ene kant van een nanodraad kan bevinden en het andere deel aan de andere kant. Om het Majorana-deeltje te kunnen manipuleren, moeten we beide uiteinden tegelijkertijd beïnvloeden. Dat maakt ze aantrekkelijk voor kwantumberekeningen, want als één deel wordt getroffen door ruis, blijft de andere helft ongedeerd.”

De onderzoekers beginnen met het produceren van twee kwantumdots dicht bij elkaar, gescheiden door een korte halfgeleider/supergeleider nanodraad. De kwantumdots worden op twee manieren elektrisch met elkaar verbonden. De eerste is door elektronen die tussen beide dots heen en weer pendelen. De tweede is door elektronenparen die gelijktijdig de halfgeleider/supergeleider nanodraad betreden en verlaten. De onderzoekers hebben een nieuwe methode laten zien om beide processen, de sleutel tot de vorming van de Majorana-deeltjes, zeer nauwkeurig te beheersen.

Toekomstige activiteiten

“Momenteel werken we met een vereenvoudigde versie van Majoranas,” zegt Dvir, “met slechts twee kwantumdots. Ons uiteindelijke doel is om meer veel dots te gebruiken, al misschien maar vijf, zodat de elektronenhelften verder uit elkaar kunnen worden gedreven. Hoe verder de Majorana-deeltjes gescheiden zijn, hoe beter de resulterende qubits beschermd zijn tegen ruis.”

“De moeilijkheid om meer dots aan het systeem toe te voegen zal naar verwachting niet exponentieel, maar lineair toenemen. Dat is omdat we elk punt afzonderlijk kunnen afstellen, waardoor we veel gemakkelijker de ideale configuratie kunnen vinden.”

Hoofdonderzoeker Leo Kouwenhoven: ” Als we naar de toekomst kijken, zijn er twee belangrijke doelstellingen. De eerste is het maken van een volledige topologische Majorana op basis van de sobere Majorana’s in dit werk. Het tweede doel is om van deze Majorana’s qubits te maken. Dat vergt meerdere exemplaren van het systeem en verdere verfijning.”