Kitaev-keten met drie locaties verbetert de stabiliteit van majorana nul-modi

Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van Qutech heeft een kitaev-keten met drie locaties gerealiseerd met behulp van halfgeleidende kwantumstippen in combinatie met supergeleidende segmenten in een hybride INSB/AL-nanodraad. Bij het vergelijken van twee- en drie-locatieketens binnen hetzelfde apparaat, zagen ze dat het uitbreiden van de keten naar drie locaties de stabiliteit van de nul-energiemodi verhoogde. Dit werk toont de schaalbaarheid van op kwantum-dot gebaseerde Kitaev-ketens en hun potentieel om stabiele majorana nul-modi te hosten. De onderzoekers publiceerden hun resultaten in Natuurnanotechnologie.

Majorana Zero -modi (MZM’s) zijn quasipartikelen die naar verwachting plaatsvinden aan de randen van topologische supergeleiders. Bovendien wordt verwacht dat MZM’s niet-Abel-uitwisselingsstatistieken vertonen-een belangrijk kenmerk voor topologische kwantumberekening-het maken van topologische supergeleiders een veelbelovende kandidaat voor decoherentievrije kwantum computing en high-fidelity kwantumpoorten.

Een eendimensionale topologische supergeleider kan worden gemaakt met het Kitaev-model-een keten van spinloze fermionen gekoppeld via P-wave supergeleiding en elektronenhopping-die topologisch wordt voor langere ketens. Nu hebben onderzoekers een kitaev-keten met drie locaties gerealiseerd en een verbeterde stabiliteit aangetoond voor de nul-energiemodi in vergelijking met ketens met twee locaties.

Kitaev -ketens opschalen van twee naar drie locaties

In het afgelopen decennium hebben onderzoekers meerdere experimentele platforms ontwikkeld als potentiële realisaties van topologische supergeleiding. Onlangs werd een nieuwe aanpak gerealiseerd: een minimale Kitaev -keten bestaande uit twee kwantumstippen gekoppeld door een supergeleider (zoals onlangs gemaakt door Qutech).

Zelfs deze korte Kitaev-keten met twee locaties bleek een paar MZM’s te hosten, hoewel ze een lage stabiliteit hadden, waardoor ze de naam arme man’s MZM’s verdienden. Aangezien MZM’s in langere ketens naar verwachting niet worden beïnvloed door lokale lawaai en variaties in chemische potentiële potentiële, willen onderzoekers de keten met twee locaties naar extra locaties opschalen.

Voor deze studie, onderzoekers onder leiding van Leo Kouwenhoven en Grzegorz Mazur en eerste auteurs Alberto Bordin en Chun-Xiao Liu uit Qutech, met materialen geleverd door de groep Erik Bakkers aan de technische universiteit Eindhoven, ontwikkelden een kita-keten met drie locaties. De ketting is gemaakt van drie halfgeleidende kwantumstippen verbonden via supergeleidende segmenten in een hybride inssb/al nanodraad.

Mazur legt uit: “Voortbouwend op eerder werk, hebben we onze kitaev-keten met twee locaties naar drie locaties opgeschaald en ontdekt dat Majorana Zero-modi stabieler zijn op dit nieuwe platform. Dit werk toont aan dat het opschalen van Kitaev-ketens op veel meer sites een veelbelovende aanpak is om stabiele Majorana Zero Modes te verkrijgen.”

Bordin voegt eraan toe: “We hebben eerder aangetoond dat zelfs een minimale kitaev-keten met twee locaties Majorana-gebonden toestanden kan organiseren. Deze waren echter onbeschermd. Nadat ze nu hebben vastgesteld dat hun stabiliteit toeneemt zodra we de keten verlengen, aantoont dat deze strategie nuttig is voor technologische toepassingen. Uit onze berekeningen, het lijkt erop dat vijf of zes locaties voldoende zouden zijn om een ​​technologie te bedenken die andere benaderingen kan overtreffen.”

Alle stukken samenbrengen

Dit werk maakt deel uit van een grotere inspanning die drie jaar geleden begon bij Qutech. Mazur zegt: “In het begin zijn we erin geslaagd om een ​​eenheidscel te maken die twee kwantumstippen koppelde door supergeleidende koppeling. Hoewel deze eenheidscel nog geen topologische supergeleider was, hoefde het twee MZM’s aan de randen. We moesten daarom samen meerdere eenheidscellen stapelen. We hadden een stevige fundering van deze individuele elementen samen.”

Om het apparaat op te schalen, combineerden de onderzoekers het werk dat in hun vorige publicaties is vastgelegd: een eerste publicatie die het splitsen van het triplet Cooper-paar aantoont-een essentieel ingrediënt van de Kitaev-keten Hamiltonian, een tweede die de fabricage van de twee-zijde Kitaev-keten aantoont, en een derde verklaring Hoe dit systeem te afstemmen.

“We hebben al deze stukken samengebracht met verhoogde precisie om een ​​functioneel systeem met grotere dimensies te creëren”, legt Bordin uit.

Fabricage van het apparaat-dat elf poorten host-gegroeid tijdrovend. Na meerdere iteraties in de cleanroom slaagden Bordin en zijn collega’s erin om meerdere werkapparaten te maken. Metingen toonden aan dat alle gemeten apparaten met drie locaties ketens organiseerden met robuustheid tegen verstoringen.

Mazur zegt: “Ik was verbaasd over de reproduceerbaarheid van de metingen. Toen ik ontdekte dat de uiteindelijke resultaten op beide apparaten er bijna identiek uitzagen, rende ik in het lab met mijn collega’s dat we twee verschillende apparaten met identieke spectra hadden gemaakt.”

De ketting verlengen

Als volgende stap zullen de onderzoekers hun apparaat onderwerpen aan kwantuminformatie -experimenten. “We willen onderzoeken hoe deze Kitaev -ketens zich als een qubit gedragen,” legt Mazur uit.

“Het zal heel interessant zijn om te zien hoe de lengte van de Kitaev-keten de levensduur van de qubit beïnvloedt. Twee-locatieketens vertonen lage stabiliteit en qubits zullen daarom worden beperkt door elektrische ruis op de poortspanningen. Voor een ketting met drie locaties hebben we nu aangetoond dat nulmodi stabieler zijn. Een qubbit met behulp van deze langere ketens moet minder worden getroffen door gate-lawaai.”

Om echte topologische bescherming te bereiken, wil Bordin de Kitaev -ketens nog langer maken: “Machine learning gebruiken om deze Kitaev -ketens automatisch af te stemmen kan helpen bij het verkrijgen van topologische bescherming.” Eenmaal correct opgeschaald in de toekomst, kan het werk leiden tot een eerste praktische kwantumcomputingtechniek.

Mazur zegt: “Stap voor stap bouwen we onze weg naar een topologische qubit.”

Kouwenhoven voegt eraan toe: “We boeken continu vooruitgang: een nieuw werk aan kitaev-ketens met drie locaties gekoppeld aan een extra kwantumstip zit al in de pijplijn en zou binnen een paar weken online moeten verschijnen.”