15. september 2020

Microsoft og Københavns Universitet samarbejde skaber lovende materiale til kvanteberegninger

Kvantecomputer:

Forskere ved Microsoft Materials Lab og Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, er gennem et tæt samarbejde lykkedes med at skabe et vigtigt og lovende materiale til brug i en kvantecomputer. Målet har været at skabe et materiale, der evner at fastholde den skrøbelige kvanteinformation og beskytte den mod forstyrrelser fra omgivelserne.

Grafisk fremstilling af kombinationen af de tre materialer i den nye nanowire.
Illustration a: Grafisk fremstilling af kombinationen af de tre materialer i den nye nanowire. Al er aluminium – superlederen, EuS er det nye materiale, europium sulfid – ferromagneten og InAs er indisium arsenide – halvlederen. Kombinationen af disse tre tillader forekomsten af Majorana zero modes – tilstanden, som gør det muligt at integrere komponenten i en topologisk kvantecomputer. Illustration b: Elektron mikrograf som viser selve wiren (blå/grå), placeret mellem gate elektroder (gul). Gaten (porten) er nødvendig for at kontrollere tætheden af elektroner, som passerer gennem wiren fra kilden (bias). Den umiddelbart største fordel ved dette system er, at man undgår anvendelsen af et stort magnetfelt. Tilstedeværelsen af en stor magnet kunne få negative effekter på andre komponenter i nærheden. Med andre ord, dette system bringer os et stort skridt nærmere egentlig anvendelse. Wirens længde i illustrationen er 2 mikrometer = 0,002 millimeter og tykkelsen er 100 nanometer = 0,0001 millimeter.

De såkaldte ”topologiske tilstande” lader til at kunne opfylde dette mål, men en af udfordringerne for at skabe stabile tilstande har været, at et kraftigt magnetfelt hidtil har skullet anvendes. Med det nye materiale er det blevet muligt at skabe topologiske tilstande uden magnetfeltet. ”Resultatet er blot en af mange nyudviklinger, som er nødvendige før det lykkes at konstruere en kvantecomputer, men undervejs i processen opnår vi større forståelse for, hvordan kvantesystemer fungerer, og muligvis kan finde anvendelse indenfor medicin, katalysatorer eller materialevidenskab. Det er blot nogle af de positive bivirkninger, vi oplever ved denne forskning”, forklarer Professor Charlie Marcus. Det videnskabelige arbejde er nu publiceret i Nature Physics.

Topologiske tilstande er lovende – men der er mange udfordringer undervejs

Topologiske tilstande i faststofbaserede systemer har affødt stor begejstring og videnskabelig aktivitet gennem det seneste årti, inklusive Nobelprisen i fysik i 2016. Der er en naturlig fejl-tolerance i de såkaldte Majorana zero modes, som gør topologiske tilstande ideelt egnede til en kvantecomputer (Majorana zero modes betegner den mest interessante faststoftilstand). Men fremskridt i udviklingen af topologiske majorana zero modes har været besværliggjort af nødvendigheden af tilstedeværelsen af et stærkt magnetfelt til at inducere den topologiske fase. Hele systemet må betjenes med en stor magnet og hvert topologisk segment må være præcist rettet ind langs magnetfeltets retning.

De nye resultater tyder på topologisk superledning, selv i fraværet af et magnetfelt. Et tyndt lag af materialet europium sulfid (EuS), hvis interne magnetisme naturligt retter sig ind i forhold til nanoledningernes akse og inducerer et effektivt magnetfelt (mere end 10.000 gange kraftigere end Jordens magnetfelt) i superleder- og halvleder komponenterne, lader til at være tilstrækkeligt til at inducere den topologiske superlederfase (Superlederfasen er den topologiske tilstand, der har majorana zero modes).

Professor Charles Marcus forklarer fremskridtet omkring det nye materiale, krystallen, således: ”Kombinationen af tre komponenter i et enkelt krystal  – halvleder, superleder og ferromagnetisk isolation – en tredelt hybrid – er ny. Det er virkelig gode nyheder, at dette danner en topologisk superleder ved lav temperatur. Det giver os nye måder at lave komponenter til topologiske kvantecomputerberegninger og giver fysikere et helt nyt fysisk system at udvikle på”.

De nye resultater skal snart tages i anvendelse til at konstruere en qubit

Det næste trin bliver at anvende resultaterne, så man kan komme nærmere virkeliggørelsen af en fungerende qubit. Indtil videre har fysikerne arbejdet med den underliggende fysik, og nu er de ved at være klar til at anvende den i konstruktionen af en funktionel qubit. Qubiten varetager grundlæggende den samme funktion i en kvantecomputer, som en transistor gør i de konventionelle computere, vi kender i dag. Den foretager beregningerne. Men her hører lighederne også op. En kvantecomputers potentiale er så stort, at vi i dag ikke engang rigtig er i stand til at forestille os mulighederne.

Samarbejde er nøglen til succes

Videnskabelige resultater er meget ofte et resultat af et tæt samarbejde mellem mange mennesker. Myten om det ensomme geni, der pludselig råber ”Heureka!” er virkelig bare en myte. I dette tilfælde lavede Professor Peter Krogstrup, videnskabelig leder ved Microsoft Quantum Materials Lab og Yu Liu, postdoc ved Niels Bohr Institutet, materialerne, Saulius Vaitiekenas, førende eksperimentalist ved Microsoft Quantum Lab, foretog målingerne og byggede den eksperimentelle opstilling og Professor ved Niels Bohr Institutet, Charles Marcus, fortolkede de resulterende data i samarbejde med resten af holdet. Charles Marcus udtaler: ”Der er mange forskellige roller og kompetencer involveret, men selve samarbejdsprocessen omkring videnskaben er som oftest en meget flydende og organisk proces”.

Link til den videnskabelige artikel: https://www.nature.com/articles/s41567-020-1017-3