Je leest:

Bedje verder gespreid voor Majorana-qubit

Bedje verder gespreid voor Majorana-qubit

Supergeleider maakt het mogelijk om Majorana-deeltje uit te lezen

Auteur: | 27 mei 2015

Wetenschappers van de Technische Universiteit Delft denken een materiaal te hebben gevonden waarin ze een Majorana-deeltje kunnen bewaren, stabiel houden én meten zonder het kapot te maken. Een qubit op basis van dit in Delft ontdekte deeltje is daarmee een stapje dichterbij.

Al jaren staat het exotische Majorana-deeltje in de belangstelling van natuurkundigen. Het is uniek omdat hij zijn eigen antideeltje vormt. En mogelijk nuttig omdat het in de toekomst namelijk kan dienen als geheugen- en rekeneenheid van een quantumcomputer, een zogenoemde qubit. Alleen dan moet de informatie die erin wordt gestopt ook weer uit te lezen zijn en dat lukte onderzoekers maar niet.

Volgens wetenschappers van de TU Delft biedt de supergeleider niobium-titanium-nitride die mogelijk wél. Ze onderzochten dit materiaal dat uiteindelijk als een plakje op een halfgeleidend nanodraadje moet komen te liggen en zo een Majorana-qubit huisvest. De Delftse wetenschappers publiceerden hierover in Nature Physics.

Impressie van de opstelling, die bestaat uit een langgerekt stuk supergeleidend niobium-titanium-nitride. In dit materiaal kan uiteindelijk een Majorana-deeltje gemaakt worden. Om de toestand van dit deeltje echter ‘uit te lezen’ is het ook nodig om te weten of er een even of oneven aantal elektronen in het stukje materiaal zitten. Dat is nu voor het eerst gelukt.
TU Delft/Tremani

Quantumcomputer

Waar een ‘klassieke’ computer informatie in de vorm van een ‘1’ of ‘0’ verwerkt, gebruikt een quantumcomputer informatiepakketjes die uit een groot aantal mogelijkheden tegelijk bestaan. Het maakt daarvoor gebruik van de wonderlijke eigenschappen van elementaire deeltjes (zoals een Elektron ) die volgens de quantummechanica in meerdere toestanden tegelijk kunnen verkeren. Zo is het mogelijk om een elektron op hetzelfde moment linksom en rechtsom draaien. In de jaren 80 ontwikkelden wetenschappers algoritmes om hiermee supersnel complexe berekeningen te doen. Sindsdien wordt er gezocht naar een praktisch inzetbare quantumcomputer, maar het zal nog jaren duren voordat die er is.

Het recept van halfgeleider in combinatie met een supergeleider is in feite dezelfde als waarmee in 2012 voor het eerst een Majorana-deeltje werd gevonden in het laboratorium van hoogleraar kwantumtransport Leo Kouwenhoven.

Even of oneven

Om te begrijpen wat de wetenschappers hebben gevonden, ontkomen we niet aan een klein lesje quantummechanica. De quantuminformatie die een Majorana-qubit bevat (in feite een grote set aan mogelijke toestanden van het deeltje), wordt als het ware ‘vermengd’ met het aantal elektronen in het stukje materiaal waarin het deeltje zit. Pas wanneer je weet hoeveel hoeveel elektronen er in de opstelling zitten, kun je de informatie fatsoenlijk uit de qubit halen.

De nanodraad (verticaal) waarin eerder aanwijzingen werden gevonden voor een Majorana-deeltje.
TU Delft

“We hoeven niet precies te weten hoeveel elektronen erin zitten,” zegt David van Woerkom, eerste auteur van de publicatie. “Het gaat enkel om een even of oneven aantal. Dat wordt pariteit genoemd en is essentieel voor een werkende qubit.” Het bepalen van het even of oneven aantal elektron kan al, maar tot op heden juist in een materiaal waar een Majorana-deeltje niet in gedijt: aluminium. Andersom waren de materialen waar een Majorana-deeltje in kan bestaan ongeschikt voor een pariteitsmeting.

Van Woerkom zegt dat in het niobium-titanium-nitride een Majorana-deeltje kan bestaan én dat het mogelijk is de pariteit te bepalen. Dat laatste heeft hij nu in ieder geval laten zien. “In dit systeem hebben we nog geen Majorana’s gemaakt, dat is een volgende stap en vergt een uitgebreidere opstelling”, zegt hij. “Het ging ons in dit onderzoek eigenlijk alleen maar om het bepalen van de juiste materiaaleigenschappen.”

Stabiel

Bijna net zo belangrijk als het meten van de pariteit is de afscherming van het stukje materiaal waarin de qubit samen met de elektronen zit. Ga maar na: het weglekken of bijkomen van een elektron verandert de pariteit. En ook dat hebben de Delftenaren laten zien. “In dit materiaal kunnen we de pariteit tot 94 seconden behouden”, zegt Van Woerkom. "Dat is veel langer dan wat eerder in aluminium is gelukt, dan heb je het over 125 milliseconde.

Van Woerkom is erg blij met de ontdekking. "We doen naar heel verschillende aspecten van qubit onderzoek, maar de pariteitsmeting bleef altijd een kopzorg. We hadden echt iets anders nodig dan aluminium, en dat hebben we gevonden. Nu gaan we aan de slag met een opstelling waar ook echt een Majorana-deeltje in zit.

Bron

  • Van Woerkom D. et al., One minute parity lifetime of a NbTiN Cooper-pair transistor, Nature Physics (25 mei 2015), DOI:10.1038/nphys3342
Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 27 mei 2015

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.