Neuer Ansatz für die Majorana-Forschung in kurzen Nanodrähten

Forscher und Ingenieure von QuTech und der Technischen Universität Eindhoven haben Majorana-Partikel hergestellt und ihre Eigenschaften mit großer Kontrolle gemessen.

Diese Majoranas sind sogenannte „Majoranas des armen Mannes“, die auf zwei Quantenpunkten in einem Nanodraht basieren, die zu einer größeren Kette von Quantenpunkten mit widerstandsfähigerem Majorana-Verhalten skaliert werden könnten. Majorana-Teilchen sind einer von mehreren vielversprechenden Kandidaten für stabile Quantenbits, die Bausteine ​​von Quantencomputern. Ihre Ergebnisse haben die Forscher in veröffentlicht Natur.

Quantencomputer sind eine revolutionäre Technologie, die das Potenzial hat, bestimmte Probleme viel schneller zu lösen als klassische Computer. Das liegt daran, dass sie Quantenbits oder Qubits verwenden, die gleichzeitig sowohl eine 0 als auch eine 1 darstellen können. Dadurch können Quantencomputer mehrere Berechnungen gleichzeitig durchführen. Die Implementierung von Quantencomputern und Qubits birgt ein erhebliches Potenzial für verschiedene Bereiche, darunter die Wirkstoffforschung, Finanzmodellierung und Kryptografie.

Das Majorana-Teilchen

„Majorana-Partikel können zu einer Art Qubit verarbeitet werden und haben aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften Aufmerksamkeit erregt“, erklärt Erstautor Tom Dvir, Postdoktorand am QuTech – dem Institut für Quantentechnologie der TU Delft und TNO. Er fährt fort: „Im Gegensatz zu herkömmlichen Qubits, die auf den Eigenschaften einzelner Teilchen wie Elektronen basieren, sind Qubits auf Basis von Majorana-Teilchen widerstandsfähiger gegen bestimmte Arten von Quantenfehlern, was eine große Herausforderung bei der Entwicklung skalierbarer Quantencomputer darstellt.“

Sein Kollege und Co-Erstautor Guanzhong Wang fügt hinzu: „Die wünschenswerten Eigenschaften der Majorana-Partikel und ihre exotische Natur, die es ermöglicht, neue wissenschaftliche Phänomene zu beobachten, haben zu großen Forschungsanstrengungen geführt, zunächst von der Wissenschaft und später auch von der Industrie. Research so far basierte überwiegend auf der Materialsynthese mit dem Ziel, die richtigen Materialeigenschaften so zu konstruieren, dass daraus hergestellte Geräte sofort betriebsbereit sind, wenn sie auf niedrige Temperaturen heruntergekühlt werden.

Der neue Ansatz verschiebt den Fokus auf die elektrische Steuerung, was bedeutet, dass wir das Gerät bei niedrigen Temperaturen beobachten und einstellen, um die richtigen Bedingungen für das Erscheinen von Majoranas zu schaffen.

Kette von Quantenpunkten zur Trennung von Elektronenhälften

Wang sagt: „Im Gegensatz zu normalen Qubits treten Majoranas immer paarweise auf und jedes Paar bildet ein delokalisiertes Elektron. Das bedeutet, dass sich ein Teil des Majorana-Teilchens an einem Ende eines Nanodrahts befinden kann und der zweite Teil am anderen Ende Majorana-Teilchen müssen wir beide Enden gleichzeitig beeinflussen. Das macht sie für Quantencomputer attraktiv, denn wenn ein Teil von Rauschen beeinflusst wird, bleibt die andere Hälfte unversehrt.“

Die Forscher beginnen damit, zwei Quantenpunkte nahe beieinander herzustellen, die durch einen kurzen Halbleiter-/Supraleiter-Nanodraht getrennt sind. Die Quantenpunkte sind auf zwei Arten elektrisch miteinander verbunden. Die erste besteht darin, dass Elektronen zwischen beiden Punkten hüpfen. Die zweite beinhaltet Elektronenpaare, die gleichzeitig in den Halbleiter/Supraleiter-Nanodraht eintreten und ihn verlassen. Die Forscher haben eine neue Methode gezeigt, um beide Prozesse, die für die Bildung der Majorana-Partikel entscheidend sind, präzise zu steuern.

Zukünftige Arbeit

„Aktuell arbeiten wir mit einer vereinfachten Version von Majoranas“, erklärt Dvir, „mit nur zwei Quantenpunkten. Unser Endziel sind mehr Punkte, vielleicht sogar nur fünf, damit die Elektronenhälften weiter voneinander entfernt sind. Je weiter die Majorana-Teilchen voneinander getrennt sind, desto besser sind die entstehenden Qubits vor Rauschen geschützt.“

„Die Schwierigkeit, dem Gerät mehr Punkte hinzuzufügen, wird voraussichtlich eher linear als exponentiell zunehmen. Das liegt daran, dass wir jeden Punkt einzeln einstellen können, wodurch wir die ideale Konfiguration einfacher bestimmen können.“

Der leitende Forscher Leo Kouwenhoven sagt: „Mit Blick auf die Zukunft gibt es zwei Hauptziele. Das erste ist die Erstellung einer vollständigen topologischen Majorana auf der Grundlage der Majorana des armen Mannes in dieser Arbeit. Das zweite Ziel ist die Verwendung dieser Majoranas zur Erstellung von Qubits. Dies erfordert mehrere Kopien des Systems und weitere Feineinstellungen.“