Majorana parity qubit in coupled minimal Kitaev chains

Stellen Sie sich vor, Sie haben ein Paar magischer, unsichtbarer Zwillinge, die an entgegengesetzten Enden eines langen, gewundenen Seils leben. Diese Zwillinge werden Majorana-Nullmoden genannt. In der Welt der Quantenphysik sind diese Zwillinge besonders, weil sie gemeinsam ein Geheimnis (ein Qubit) bewahren können, selbst wenn sie weit voneinander entfernt sind. Das ist wie ein geheimes Handschlag-Ritual, das nur funktioniert, wenn beide Zwillinge anwesend sind, aber man kann nicht sehen, dass sie sich berühren. Wissenschaftler nennen dies „topologische Protektion“, was bedeutet, dass das Geheimnis schwer zu verderben ist, weil es weit verteilt ist.

Es ist jedoch unglaublich schwierig, ein Seil lang genug zu bauen, um diese Zwillinge perfekt voneinander getrennt zu halten. Deshalb beschlossen die Forscher in dieser Arbeit, etwas Kleineres zu versuchen: ein „Mini-Seil“ mit nur zwei Stellen. Sie nennen diese „Poor Man's Majoranas“ (Majoranas für Arme). Sie sind wie die jüngeren, etwas weniger geschützten Cousins der Zwillinge. Sie besitzen immer noch die magischen Eigenschaften (wie die Lage bei der Energie Null und das Aussehen als halb-Elektron, halb-Loch), sind aber etwas anfälliger für Rauschen.

Die große Entdeckung: Ein Quanten-Tanzboden
Die Hauptfindung dieser Arbeit ist, dass das Team erfolgreich ein winziges Quantencomputer-Bit (ein Qubit) unter Verwendung von zwei dieser Mini-Seile gebaut und sie gemeinsam tanzen lassen hat.

Stellen Sie sich die zwei Mini-Seile als zwei separate Tanzböden vor. Auf jedem Boden gibt es zwei Stellen, an denen die magischen Zwillinge leben. Die Forscher haben diese zwei Tanzböden mit einem zentralen „Koppler“ (einem speziellen Quantenpunkt) verbunden. Durch das Einstellen dieses Kopplers konnten sie die Zwillinge auf dem einen Tanzboden mit den Zwillingen auf dem anderen Tanzboden tauschen lassen.

Als sie dies taten, beobachteten sie, dass das System zwischen zwei Zuständen hin und her oszillierte:

1. Der „gerade“ Zustand: Beide Tanzböden haben eine gerade Anzahl an Elektronen.
2. Der „ungerade“ Zustand: Beide Tanzböden haben eine ungerade Anzahl an Elektronen.

Diese Hin-und-Her-Bewegung wird als Rabi-Oszillation bezeichnet. Es ist wie ein Pendel, das schwingt. Das Team maß, dass diese Schwingung mit einer Frequenz von etwa 106,7 ± 0,4 MHz stattfand. Sie fanden auch heraus, dass die Schwingung etwa 26 ± 2 Nanosekunden dauerte, bevor sie etwas verschwamm (Dekohärenz). Dies ist das erste Mal, dass jemand eine solche kohärente Kontrolle mit einem Majorana-Qubit erreicht hat, das in diesen minimalen Ketten kodiert ist.

Der „Sweet Spot“ und die magische Phase
Um den Tanz perfekt ablaufen zu lassen, mussten die Forscher einen „Sweet Spot“ finden. Stellen Sie sich vor, Sie stimmen eine Gitarrensaiten: Wenn sie zu fest oder zu locker ist, stimmt der Ton nicht. Hier ist die „Festigkeit“ das Gleichgewicht zwischen dem Elektron-Hüpfen (t) und der Paarung (Δ). Der Sweet Spot ist, wenn t = Δ gilt.

Sie fanden heraus, dass der Tanz wunderbar funktionierte, wenn sie diesen Sweet Spot auf beiden Seilen erreichten. Aber sie spielten auch mit einem „Phasen-Regler“ (gesteuert durch ein Magnetfeld). Wenn sie diesen Regler auf eine bestimmte Einstellung drehten (eine Phasendifferenz von φ = π, was bei einem Magnetfeld von etwa 11 mT oder 16 mT geschah), stoppte der Tanz vollständig. Die Verbindung zwischen den beiden Tanzböden verschwand. Dies bestätigte ihre Theorie: Die Verbindung hängt von der Phase ab, und bei φ = π soll die Kopplung null sein.

Die Zwillinge prüfen: Sind sie wirklich getrennt?
Eine große Frage war: „Sind diese Zwillinge tatsächlich getrennt oder tun sie nur so?“
Um dies zu prüfen, betrachteten die Forscher zwei verschiedene „Tanzsäle“: den Global Even (global geraden) Saal und den Global Odd (global ungeraden) Saal.

• Wenn die Zwillinge perfekt und perfekt getrennt wären, sollte die Tanzgeschwindigkeit (Frequenz) in beiden Sälen exakt gleich sein.
• Wenn die Zwillinge ungeordnet oder überlappend wären, wären die Geschwindigkeiten unterschiedlich.

Die Arbeit zeigt, dass die Geschwindigkeiten in beiden Sälen nahezu identisch waren (etwa 113,4 MHz im geraden Saal und 117,7 MHz im ungeraden Saal). Dies deutet darauf hin, dass die unerwünschten Überlappungen zwischen den Zwillingen sehr klein sind. Die Autoren sind jedoch vorsichtig und sagen, dass dies nahelegt, dass die Zustände gut entkoppelt sind, aber es beweist nicht, dass sie perfekt im Raum getrennt sind, da andere Arten von ungeordneten Zuständen ähnlich aussehen könnten.

Was sie ausgeschlossen haben
Die Arbeit argumentiert explizit dagegen, dass man die Details des Aufbaus einfach ignorieren kann.

• Es ist kein einfaches Ladungs-Qubit: Sie zeigten, dass, wenn man nur eine Stelle an einem Seil verstimmt (detuned), der Tanz langsamer und unordentlicher wird. Aber wenn man beide Stellen auf demselben Seil verstimmt, stoppt der Tanz komplett. Dies beweist, dass das Qubit über die gesamte Kette verteilt ist und nicht nur auf einem einzelnen Punkt sitzt.
• Es ist kein gelöstes, perfektes System: Die Arbeit gibt zu, dass diese „Poor Man's Majoranas“ eine begrenzte Protektion haben. Der Schutz ist nur teilweise vorhanden. Wenn man sich vom Sweet Spot entfernt, wird das System sehr empfindlich gegenüber Rauschen. Sie haben nicht behauptet, bereits einen voll fehlerresistenten Quantencomputer gebaut zu haben; sie haben lediglich den ersten Schritt gemacht, indem sie das Qubit kontrolliert haben.

Wie sicher sind sie sich?
Das Team ist sehr zuversichtlich in dem, was sie gemessen haben. Sie haben die Oszillationen direkt beobachtet, die Frequenzen gemessen und die „Sweet Spots“ anhand echter Daten ihres Bauteils (eines Indium-Antimonid-Nanodrahtes mit Aluminium-Supraleitern) kartiert.

• Gemessen: Die Oszillationen, die Frequenzen, die Zerfallszeiten und der Effekt des Magnetfelds.
• Simuliert: Sie verwendeten Computermodelle, um zu zeigen, dass ihre Ergebnisse mit dem übereinstimmen, was man erwarten würde, wenn das System verrauscht wäre (quasi-statisches Ladungsrauschen). Diese Simulationen halfen zu erklären, warum der Tanz verschwamm, aber der Tanz selbst war eine reale Messung.
• Vorgeschlagen: Sie schlagen vor, dass der kleine Unterschied in den Tanzgeschwindigkeiten zwischen den beiden Sälen bedeutet, dass die Majorana-Zustände gut getrennt sind, merken aber an, dass dies eine Interpretation basierend auf ihrem Modell ist und kein direkter Beweis für die räumliche Trennung.

Das Fazament
Diese Arbeit ist wie das Finden des ersten funktionierenden Motors für eine neue Art von Auto. Der Motor (das Majorana-Qubit) läuft, er dreht sich (oszilliert) und das Team kann ihn steuern (die Kopplung kontrollieren). Es ist noch kein fertiges, crashsicheres Fahrzeug (der Schutz ist begrenzt), aber es beweist, dass der Motor funktioniert. Die Forscher haben gezeigt, dass sie, wenn sie die Regler genau richtig einstellen, diese Quantenbits im Einklang tanzen lassen können, was die Tür für den Bau längerer, besser geschützter Seile in der Zukunft öffnet.