UC Santa Barbara -forskare står inför ett stort framsteg inom topologisk kvantberäkning.

I ett papper som visas i journalen Natur , Chris Palmstrøm, en UCSB -professor i el- och datorteknik och material, och kollegor beskriver en metod genom vilken "hashtag" -formade nanotrådar kan lockas fram för att generera Majorana-kvasipartiklar. Dessa kvasipartiklar är exotiska tillstånd som, om de realiseras, kan användas för att koda information med mycket liten risk för dekoherens - en av kvantberäkningens största utmaningar - och därmed, lite behov av kvantfelkorrigering.

"Det här var ett riktigt bra steg mot att få saker att hända, "sa Palmstrøm. 2012, Nederländska forskare Leo Kouwenhoven och Erik Bakkers (även författare på tidningen) från Delft och Eindhoven tekniska universitet i Nederländerna, rapporterade den första observationen av stater som överensstämde med dessa kvasipartiklar. Just då, dock, de slutade med ett definitivt bevis på att de i själva verket var Majoranas, och inte andra fenomen.

Under ledning av Microsoft Corporation Research Station Q med huvudkontor på UCSB -campus, detta team av forskare är en del av ett större internationellt arbete för att bygga den första topologiska kvantdatorn.

Kvaspartiklarna är uppkallade efter italienska fysikern Ettore Majorana, som förutspådde deras existens 1937, kring kvantmekanikens födelse. De har den unika skillnaden att vara sina egna antipartiklar - de kan utplåna varandra. De har också kvaliteten på att vara icke-abeliska, vilket resulterar i förmågan att "komma ihåg" deras relativa positioner över tid - en egenskap som gör dem centrala för topologisk kvantberäkning.

"Om du ska flytta dessa Majoranas fysiskt runt varandra, de kommer ihåg om de flyttades medurs eller moturs, "sa Mihir Pendharkar, doktorandforskare i Palmstrøm -gruppen. Denna operation för att flytta den ena runt den andra, han fortsatte, är det som kallas "flätning". Beräkningar skulle i teorin kunna utföras genom att fläta Majoranas och sedan smälta ihop dem, släppa en energikälla - en "digital hög" - eller absorberande energi - en "digital låg". Informationen innehåller och behandlas genom utbyte av positioner, och resultatet delas mellan de två eller flera Majoranas (inte kvasipartiklarna själva), en topologisk egenskap som skyddar informationen från miljöstörningar (buller) som kan påverka de enskilda Majoranas.

Dock, innan någon flätning kan utföras, dessa ömtåliga och flyktiga kvasipartiklar måste först genereras. I detta internationella samarbete halvledarskivor började sin resa med mönster av gulddroppar vid Delft University of Technology. Med gulddropparna som frön, Indiumantimonid (InSb) halvledar nanotrådar odlades sedan vid Eindhoven tekniska universitet. Nästa, nanotrådarna reste över hela världen till Santa Barbara, där Palmstrøm -gruppens forskare noggrant rengjorde och delvis täckte dem med ett tunt skal av supraledande aluminium. Nanotrådarna återfördes till Nederländerna för elektriska mätningar vid låg temperatur.

"Majorana har förutsetts ske mellan en superledare och en halvledartråd, "Palmstrøm förklarade. Några av de skärande trådarna i den oändliga hashtag-formade enheten är sammanfogade, medan andra knappt saknar varandra, lämnar ett mycket exakt gap. Denna smarta design, enligt forskarna, tillåter vissa delar av en nanotråd att gå utan en aluminiumskalbeläggning, fastställer idealiska förhållanden för mätning av Majoranas.

"Det du borde se är ett tillstånd med noll energi, "Sade Pendharkar. Denna" noll-bias-topp "överensstämmer med matematiken som resulterar i att en partikel är sin egen antipartikel och observerades första gången 2012." År 2012, de visade en liten noll-bias blip i ett hav av bakgrund, "Sade Pendharkar. Med den nya metoden, han fortsatte, "nu har havet försvunnit, "som inte bara förtydligar 2012 års resultat och tar forskarna ett steg närmare ett definitivt bevis på Majorana -stater, men lägger också en mer robust grund för produktionen av dessa kvasipartiklar.

Majoranas, på grund av deras särskilda immunitet mot fel, kan användas för att konstruera en ideal qubit (enhet för kvantinformation) för topologiska kvantdatorer, och, enligt forskarna, kan resultera i en mer praktiskt kvantdator eftersom dess feltolerans kommer att kräva färre qubits för felkorrigering.

"Alla kvantdatorer kommer att fungera vid mycket låga temperaturer, "Palmstrøm sa, "för att" kvant "är en mycket låg energiskillnad." Således, sa forskarna, att kyla färre feltoleranta qubits i en kvantkrets skulle vara lättare, och gjort i ett mindre fotavtryck, än att kyla fler felbenägna qubits plus de som krävs för att skydda mot fel.

Det sista steget mot avgörande bevis på Majoranas kommer att vara i flätningen, ett experiment som forskarna hoppas kunna genomföra inom en snar framtid. För detta ändamål, forskarna fortsätter att bygga på denna grund med konstruktioner som kan möjliggöra och mäta resultatet av flätning.

"Vi har haft finansiering och expertis från människor som är experter på mätningssidan av saker, och experter på teorinsidan av saker, "Sade Pendharkar, "och det har varit ett fantastiskt samarbete som har tagit oss upp till denna nivå."