Квантовые нанопроволоки, имеющие длину, но не ширину или высоту, обеспечивают уникальную среду для образования и обнаружения квазичастиц, известных как майорановская нулевая мода.
Новое исследование под руководством UNSW преодолевает предыдущие трудности с обнаружением нулевого режима Майораны и дает значительное улучшение воспроизводимости устройства.
Потенциальные применения нулевых мод Майораны включают отказоустойчивые топологические квантовые компьютеры и топологическую сверхпроводимость.
МОДУЛЬНЫЕ ПРОВОДНИКИ MAJORANA В 1D ПРОВОДАХ
Фермион Майорана – это составная частица, которая является собственной античастицей.
Объяснение антивещества: каждая фундаментальная частица имеет соответствующую частицу антивещества с той же массой, но противоположным электрическим зарядом. Например, античастица электрона (заряд -1) – позитрон (заряд +1)
Интерес к таким необычным частицам с академической и коммерческой точек зрения связан с их потенциальным использованием в топологическом квантовом компьютере, который, по прогнозам, невосприимчив к декогеренции, которая рандомизирует драгоценную квантовую информацию.
Нулевые моды Майораны могут быть созданы в квантовых проволоках, сделанных из специальных материалов, в которых существует сильная связь между их электрическими и магнитными свойствами.
В частности, нулевые моды Майорана могут быть созданы в одномерных полупроводниках (таких как полупроводниковые нанопроволоки) при соединении со сверхпроводником.
В одномерной нанопроволоке, размеры которой, перпендикулярные длине, достаточно малы, чтобы не допустить никакого движения субатомных частиц, преобладают квантовые эффекты.
НОВЫЙ МЕТОД ОБНАРУЖЕНИЯ НЕОБХОДИМОГО СПИН-ОРБИТНОГО РАЗРЫВА
Фермионы Майорана, которые являются собственными античастицами, теоретизировались с 1937 года, но экспериментально наблюдались только в последнее десятилетие. «Невосприимчивость» фермиона Майорана к декогеренции обеспечивает потенциальное использование для отказоустойчивых квантовых вычислений.
Одномерные полупроводниковые системы с сильным спин-орбитальным взаимодействием привлекают большое внимание из-за потенциальных приложений в топологических квантовых вычислениях.
Магнитный «спин» электрона подобен маленькому стержневому магниту, ориентацию которого можно установить с помощью приложенного магнитного поля.
В материалах со «спин-орбитальным взаимодействием» спин электрона определяется направлением движения даже при нулевом магнитном поле.
Это позволяет выполнять все электрические манипуляции с магнитными квантовыми свойствами.
Приложение магнитного поля к такой системе может открыть энергетический зазор, так что все движущиеся вперед электроны будут иметь одинаковую спиновую поляризацию, а движущиеся назад электроны – противоположную поляризацию. Эта "спин-щель" является предпосылкой для образования майорановских нулевых мод.
Несмотря на интенсивную экспериментальную работу, оказалось чрезвычайно трудно однозначно обнаружить эту спиновую щель в полупроводниковых нанопроводах, поскольку характерную характеристику спиновой щели (провал на плато ее проводимости при приложении магнитного поля) очень трудно отличить от неизбежной фоновый беспорядок в нанопроволоках.
Новое исследование обнаруживает новую однозначную сигнатуру спин-орбитального зазора, невосприимчивую к эффектам беспорядка, характерным для предыдущих исследований.
«Эта сигнатура станет де-факто стандартом для обнаружения спин-пробелов в будущем», – говорит ведущий автор доктор Карина Хадсон.
ВОСПРОИЗВОДИМОСТЬ
Использование нулевых мод Майорана в масштабируемом квантовом компьютере сталкивается с дополнительной проблемой из-за случайного беспорядка и несовершенства самособирающихся нанопроволок, в которых размещается MZM.
Раньше было практически невозможно изготавливать воспроизводимые устройства, и только около 10% устройств функционировали с требуемыми параметрами.
Последние результаты UNSW показывают значительное улучшение с воспроизводимостью результатов на шести устройствах на основе трех разных исходных пластин.
«Эта работа открывает новый путь к созданию полностью воспроизводимых устройств», – говорит автор-корреспондент профессор Алекс Гамильтон UNSW).