Kredit:van Zanten et al.
Forskare vid Köpenhamns universitet och Microsoft Quantum Lab Copenhagen har nyligen genomfört en studie som undersöker potentialen hos Majorana zero-lägen, noll-energi kvasipartikeltillstånd som kan hittas i supraledande hybrid nanotrådar, som ett sätt att skydda kvantdata. Deras papper, publicerad i Naturfysik , beskriver observationen av fotonassisterade tunnelsignaturer i en Majorana nanotråd, erbjuder intressant ny insikt som kan bana väg för bättre förståelse av dessa kvasipartikeltillstånd.
"Vårt långsiktiga mål är att utveckla ett sätt att skydda och kontrollera kvantinformation för kvantberäkningstillämpningar, " medförfattare till tidningen Prof. Charles Marcus berättade för Phys.org via e-post. "Ett spännande förslag är att använda Majorana nolllägen för att erbjuda skydd på fysiknivå, snarare än på kretsnivå med redundans och felkorrigering."
På en fysisk nivå, Majorana nolllägen döljer specifik information, mer exakt om ett överskott av elektron är icke-lokalt närvarande eller frånvarande inuti en given topologisk supraledare. Denna information kan inte avslöjas med hjälp av verktyg för insamling av lokala mätningar.
Teoretiskt sett Att använda Majorana nolllägen för att skydda kvantdata borde därför vara ganska enkelt och okomplicerat. Dock, detta har hittills visat sig vara mycket svårt att inse, eftersom det kräver stora ansträngningar, inklusive utveckling av metoder för att läsa ut nollenergitillstånd och design av hybridmaterial som kan nå dessa tillstånd i första hand.
"Ett antal konkreta tidiga steg mot att förverkliga detta koncept lades upp i en teoretisk artikel som vi skrev 2016, men att få till och med delkomponenterna i vårt föreslagna system att fungera är utmanande, ", sa Marcus. "En kritisk komponent är en topologisk supraledande korsning där Majorana-lägen kan kopplas och frikopplas med hjälp av elektriska pulser. Vårt senaste experiment var designat för att testa den specifika komponenten:platsen där kopplingen av Majorana-lägen över en korsning kunde kontrolleras."
Kredit:van Zanten et al.
Fotonassisterad tunnling är en teknik som kan användas för att "koppla ihop" kvanttillstånd med ojämn total energi, använda en foton med en energi som matchar skillnaden. Den totala energin för kvanttillstånden i detta experiment beror på närvaron av en överskottselektron vid diskreta nollenergitillstånd.
Denna effekt gjorde det slutligen möjligt för forskarna att upptäcka en skillnad i genomsnittlig laddningsockupation. Eftersom fotonens frekvens är energi som kan kontrolleras, de skulle kunna sluta sig till energiskillnaden mellan kvanttillstånden och slutligen omvandla detta till en kopplingsstyrka.
"I de tidiga dagarna av supraledande och spin qubit-enheter, fotonassisterad tunnelering användes ofta som en teknik för att kartlägga energiskillnaden mellan qubits-tillstånd, "David van Zanten, en annan forskare som är involverad i studien, berättade för Phys.org. "Minsta energiskillnad definieras av energin för den koherenta utbyteskopplingen. Baserat på detta tidigare arbete, vi gav oss iväg för att använda fotonassisterad tunnling som ett verktyg för att identifiera och karakterisera den koherenta kopplingen mellan Majorana-fermioner av olika par."
Metoden som forskarna använder är ganska enkel. Det innebär att mäta den genomsnittliga laddningsuppsättningen av en struktur med dubbla öar som är värd för Majorana nolllägen, samtidigt som en mikrovågston appliceras på en nästan metallisk struktur kopplad till övervägande del till en av strukturens öar.
För att deras teknik ska fungera, forskarna var tvungna att utveckla lämpliga topologiska supraledande dubbelö-strukturer och RF SET-laddningssensorer som kunde introduceras inuti en InAs/AI nanotråd, som i sin tur skulle placeras på ett underlag som mikrovågor kunde appliceras på. Dessutom, de var tvungna att noggrant ställa in alla enhetsrattar och identifiera ett utökat område där alla villkor som var nödvändiga för fotonassisterad tunnling av Majorana nolllägen var uppfyllda.
Kredit:Charles Marcus
Författarna arbetade nära ett team av forskare specialiserade på kvantmaterial, ledd av Peter Krogstrup. Denna grupp av forskare var ansvarig för att odla trådarna som användes i experimentet.
I sista hand, materialen och metoderna som användes i deras experiment gjorde det möjligt för forskarna att observera fotonunderstödda tunnelsignaturer vid ett ändligt magnetfält, inducerande 1e gate periodicitet på båda öarna. Ändå, man bör vara försiktig när man tolkar sina resultat, eftersom deras bara är ett preliminärt resultat.
"Den mest anmärkningsvärda aspekten av vår studie ligger i den interna överensstämmelsen mellan de olika mätningarna och observationerna som presenteras i artikeln, tillsammans med annat arbete av andra i samma forskarsamhälle, "Var och en av våra mätningar indikerar oberoende närvaron av diskreta tillstånd vid nollenergi på båda öarna," sa van Zanten. en bild som överensstämmer med Majorana nolllägen. Den interna konsekvensen antyder att vår tolkning är giltig, men bevisar det Majorana-koppling? Nej."
Enligt forskarna, andra fermioniska tillstånd som inträffar vid nollenergi kan också konstrueras på ett sätt som liknar Majorana nolllägen. Av denna anledning, deras resultat, tillsammans med liknande som samlats in av andra team tidigare, bör betraktas som tolkningar snarare än fakta.
"Vilken befintlig tolkning som är mest rimlig är föremål för debatt, som drivs av de olika resultat som samlats in av olika grupper, ", sa Marcus. "Vad vi har visat är att på högt fält, det finns ett diskret tillstånd i ledningarna vid nollenergi (exakt där en Majorana skulle vistas) och att vi genom att ställa in en korsning kan koppla och koppla bort dessa nollenergilägen, mäta deras kopplingsstyrka."
Kredit:Charles Marcus
Den nyligen genomförda studien som genomfördes av det Köpenhamnsbaserade teamet ger nya observationer som kan läggas till poolen av fynd relaterade till nolllägen i Majorana-trådar som samlats in av olika forskarlag under det senaste decenniet eller så. I framtiden, deras arbete skulle kunna tjäna som grund för nya studier som undersöker dessa staters potential för att öka säkerheten för kvantteknologi.
"I våra nästa studier, vi skulle vilja använda materialsystem som är lättare att arbeta med, ", sa Marcus. "Nanotrådarna vi använde var en bra början, men att placera enskilda kablar för hand är inget sätt att bygga ett nätverk av Majoranas. Material är nyckeln till framsteg inom detta område:nya material, renare material, lättare att arbeta med material."
Förutom att upprepa sitt experiment med olika material, forskarna planerar att genomföra studier som inkluderar system med flera korsningar. Faktiskt, Tidigare forskningsbevis tyder på att system med flera korsningar möjliggör skapandet av enheter som är mer sofistikerade och intressanta.
"Vi skulle nu också vilja introducera andra ögon i utvecklingen av vårt system, vilket skulle tillåta oss att snabbt och säkert skilja mellan nolllägen som kan dölja kvantinformation och de som inte kan, Marcus och van Zanten sa. "Flätning av Majorana nolllägen är en viktig demonstration av att våra nollenergitillstånd har den nyckelegenskap som behövs för informationsskydd, men den mätningen har inte gjorts. Vårt nuvarande experiment introducerar den grundläggande teorin, men nu måste materialvetare och experimentalister testa det."
© 2020 Science X Network