Beskyttede Majorana tilstande til kvanteinformation – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Videresend til en ven Resize Print Bookmark and Share

Niels Bohr Institutet > Nyheder > Nyheder 2016 > Beskyttede Majorana ti...

09. marts 2016

Beskyttede Majorana tilstande til kvanteinformation

Kvanteinformation

Kvanteteknologi har potentiale til at kunne revolutionere computeres beregninger, kryptering og simulering af kvantesystemer. Men kvantefysik stiller nye krav til den teknologiske informationsbehandling, for kvantetilstande er skrøbelige og skal derfor kunne kontrolleres uden at blive målt. Forskere på Niels Bohr Institutet har nu påvist en vigtig egenskab ved de såkaldte Majorana-partiklers nul-tilstande, der beskytter dem mod tab af sammenhængende kvante-tilstand. Resultatet giver afgørende opbakning til eksistensen af Majorana-tilstande og viser derudover, at tilstanden er beskyttet på præcis den måde, som man har forudsagt teoretisk. Det er en vigtig egenskab for at kunne opbevare beskyttet information til fremtidens kvantenetværk. Resultaterne er publiceret i det ansete videnskabelige magasin, Nature.

Ph.d.-studerende Sven Albrecht og professor Charles Marcus i Center for Quantum Devices (QDev) på Niels Bohr Institutet i København. Her arbejder flere end 80 forskere, ph.d.-studerende og teknikere i en kæmpestor bygning, og over to hele etager er der opbygget toplaboratorier med avancerede instrumenter til eksperimenter. (Credit: Ola Jakup Joensen, NBI)

Almindelige computere er begrænsede i deres formåen til at kunne løse meget indviklede problemer. Begrænsningen ligger i, at beregningerne i almindelige computere er baseret på bits, der består af enten 0- eller 1-taller.

I en kvantecomputer opbygges data af kvante-bits, eller qubits. Qubits er også en slags 0- og 1-taller, men ifølge kvanteverdenens ejendommelige love, som hersker på atomart niveau, kan 0- og 1-stadierne være i superposition og eksistere samtidigt. Det betyder, at en kvantecomputer vil kunne udføre ekstremt store mængder af databeregninger og vil blive meget hurtigere end almindelige computere.

Men problemet har været at finde de helt rigtige partikler til qubits. Problemet er, at de fleste kvantesystemer mister kvantetilstanden meget hurtigt - qubit'en bliver en almindelig bit, så snart den måles, Så forskerne jagter den helt rigtige qubit-partikel til kvanteteknologi.

”Vi udforsker en ny form for partikel, kaldet Majorana partikler, som kan danne grundlag for kvanteinformation, der af en særlig og måske unik egenskab er beskyttet mod måling. Disse partikler findes ikke i den naturlige verden, ser det ud til, men de kan blive skabt i en kombination af visse materialer, der involverer superledere. Vores resultater viser først og fremmest, at partiklerne er til stede, hvilket bekræfter tidligere eksperimenter - og endnu vigtigere, at de er beskyttet mod tab af kvantetilstand, ligesom teorien om dem forudsiger”, fortæller professor Charles Marcus, leder af Center for Quantum Devices (QDev) og Microsoft Station Q på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet.

Elektron mikroskop-billede af en nanotråd, der svarer til dem, der anvendtes i undersøgelsen. Den halvledende nanotråd (grøn), som er en tusindedel af bredden af et menneskehår, er belagt med en superleder (lyseblå) og har elektriske forbindelser af guld. (Credit: Shivendra Upadhyay / Sven Albrecht)

Nanotråde til kvanteteknologi

Center for Quantum Devices er helt i front med forskning i kvanteinformationsteknologi - både teoretisk, eksperimentelt og med materialeudvikling. Netop materialer er en afgørende del af den nye teknologi, og lektor Peter Krogstrup og professor Jesper Nygaard har udviklet en metode til at fremstille nye superledende- halvledende hybrid nanotråde med helt specielle egenskaber.

Nanotrådene er ekstremt små – cirka 10 mikrometer høje (1 mikrometer er en tusindedel millimeter) og 0,1 mikrometer i diameter. De består af halvledermaterialet indium-arsenid med en belægning på den ene side af aluminium, som bliver superledende, når det køles ned til tæt på det absolutte minimum på minus 273 grader C. Fører man nanotrådene tæt på en superleder, vil de også blive superledende, og elektronerne begynder at opføre sig helt anderledes. I sådanne strukturer kan der eksistere såkaldte kvasi-partikler, som ikke er ’rigtige’ partikler, men en form for fænomen, der opfører sig som en partikel.

Majorana-partiklers tilstand beskyttet

I 2012 fandt fysikere på Delft University i Holland de første signaler, der viste, at der i nanotråde kan være kvasipartikler i form af såkaldte Majorana-partikler, som i princippet kan bruges i en kvantecomputer. Nu har forskerne i Center for Quantum Devices på Niels Bohr Institutet i København påvist en af de vigtigste forudsigelser med hensyn til Majorana-partiklerne egenskaber, nemlig at deres kvantetilstande er beskyttet på en fundamentalt anderledes måde end sædvanlige kvantetilstande.

Eksperimenterne foregår ved ultralave temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt, som er minus 273 grader C. Sven Albrecht og Charles Marcus følger målingerne. (Credit: Ola Jakup Joensen, NBI)

”Beskyttelsen ligger i Majorana partiklens eksotiske egenskab, at den samtidigt eksisterer i begge ender af nanotråden, men ikke i midten. For at ødelægge dens kvantetilstand, skal man forstyrre kvante-tilstanden i begge ender på samme tid, og det er meget usandsynligt”, fortæller Sven Albrecht, ph.d.-studerende i Center for Quantum Devices på Niels Bohr Institutet.

Eksperimenterne er blevet udført i QDevs laboratorier på Niels Bohr Institutet I København af Sven Albrecht og postdoc Andrew Higginbotham.

Sven Albrecht fortæller, at det har været et meget stort arbejde at påvise beskyttelsen eksperimentelt. ”Prøv igen”, sagde Charles Marcus, når de viste ham et resultat, og de gentog målingerne – igen og igen. Hver gang passede målingerne, og beviset var klart. Majorana-partikler har en bestemt energi, og når nano-trådene forkortes, splittes energien op. De lavede nu gentagne forsøg med nano-tråde i fem forskellige længder for at vise, at beskyttelsen blev forstærket med længden på nanotråden.

"Eksponentiel beskyttelse er en vigtig faktor at have tjek på, når vi skal fortsætte vores grundlæggende udforskning og endelige anvendelse af disse topologiske tilstande af stoffer. Det, der har drevet forskningen fremad mellem de første målinger af Majorana-partikler i Delft og nu har dels været den stærke sammenhæng mellem teori og eksperimenter, og dels har det været de eminente materialer, der er blevet udviklet har i København. Uden disse nye materialer ville forskningsfeltet være temmelig fastlåst. Det ligger bag os nu”, siger Charles Marcus og understreger, at udvikling af materialer kan – ligesom gode idéer, muliggøre gennembrud.

Forskningen ved Center for Quantum Devices og Station Q København blev støttet af Microsoft Research og Dansk Grundforskningsfond samt Villum Fonden.

Charles Marcus, professor, leder af Center for Quantum Devices, QDev, Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, +45 2034-1181, marcus@nbi.dk

Sven Albrecht, ph.d.-stud. Center for Quantum Devices, QDev, Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, +45 2155-2975, albrecht@nbi.ku.dk