Novel qubits in hybrid semiconductor-superconductor nanostructures

In de zoektocht naar het bouwen van een computer die problemen kan oplossen die buiten het bereik van de huidige machines liggen, strijden wetenschappers om de creatie van de perfecte schakelaar, een eenheid van informatie die een qubit wordt genoemd. In tegenstelling tot de eenvoudige aan/uit-schakelaars in je telefoon, kan een qubit bestaan in een complexe staat van zowel aan als uit te zijn op hetzelfde moment, maar deze delicate conditie wordt gemakkelijk verstoord door de kleinste trilling of warmte. Om deze fragiele staten te beschermen, hebben onderzoekers traditioneel in twee verschillende richtingen gekeken. Eén pad maakt gebruik van minuscule eilandjes van supergeleidend metaal, waar elektriciteit zonder weerstand stroomt, om circuits te creëren die groot en gemakkelijk te besturen zijn met microgolven. Het andere pad maakt gebruik van de spin van individuele elektronen gevangen in halfgeleiders, dezelfde materialen die in computerchips worden gevonden, die ongelooflijk klein zijn en hun staat gedurende een lange tijd kunnen vasthouden. Elk benadering heeft zijn sterke en zwakke punten, waardoor wetenschappers zich afvragen of ze het beste van beide werelden kunnen combineren in één enkel, superieur apparaat.

Een nieuwe beoordeling van recent onderzoek suggereert dat deze hybride benadering niet alleen mogelijk is, maar ook al veelbelovende resultaten oplevert. Door supergeleiders en halfgeleiders op nanoschaal te versmelten, hebben onderzoekers een nieuwe familie van kwantumschakelaars gecreëerd die kunnen worden afgestemd met elektrische velden in plaats van magnetische velden. Deze flexibiliteit maakt snellere en preciezere controle mogelijk. Het werk benadlicht hoe deze hybride structuren unieke kwantumtoestanden kunnen huisvesten, zoals speciale energieniveaus gevangen binnen de supergeleider, die kunnen worden gebruikt om informatie op te slaan. Misschien wel het meest opwindend is dat de beoordeling de eerste succesvolle stappen beschrijft naar het creëren van een type qubit gebaseerd op exotische deeltjes genaamd Majorana-toestanden. Deze deeltjes worden voorspeld van nature beschermd te zijn tegen de ruis die normaal gesproken kwantuminformatie vernietigt, wat een potentiële weg biedt naar het bouwen van een computer die veel robuuster is dan alles wat momenteel beschikbaar is.

De reis naar deze hybride apparaten begon met een eenvoudig idee: als je een halfgeleider naast een supergeleider plaatst, zouden de supergeleidende eigenschappen in de halfgeleider moeten "lekken", waardoor een regio ontstaat waar elektronen paren vormen en zonder weerstand stromen. Decennialang was dit moeilijk te bereiken omdat de interface tussen de twee materialen vaak rommelig was, waarbij onzuiverheden de stroom van elektriciteit blokkeerden. Echter, recente vooruitgang in materiaalkunde heeft wetenschappers in staat gesteld om deze lagen met atomaire precisie te laten groeien, wat een schone, naadloze verbinding creëert. Deze doorbraak heeft geleid tot de creatie van "gatemons", een type supergeleidende qubit waarbij de stroom van de huidige aan of uit kan worden gezet of kan worden afgestemd door simpelweg een spanning op een poort (gate) aan te leggen, net als een transistor in een standaard computerchip. Dit elimineert de noodzaak voor volumineuze magnetische spoelen, waardoor de apparaten gemakkelijker op te schalen en te besturen zijn.

Naast het afstemmen van de stroom van elektriciteit, stellen deze hybride structuren wetenschappers in staat om individuele elektronen te vangen in kleine eilandjes die kwantumdots worden genoemd. Wanneer een elektron in een dergelijke dot naast een supergeleider wordt gevangen, kan het een speciale staat vormen die bekend staat als een Andreev-gebonden toestand. In deze staten stuiteren het elektron en zijn partner, een gat, heen en weer tussen de dot en de supergeleider, wat een uniek energieniveau creëert dat veilig binnen de supergeleidende kloof ligt. Onderzoekers hebben geleerd deze niveaus zelf als qubits te gebruiken. Door de spin van het gevangen elektron te manipuleren, kunnen ze informatie coderen. De beoordeling meldt dat wetenschappers al hebben aangetoond het vermogen te hebben om deze "Andreev-spinqubits" met hoge precisie te besturen, waarbij ze coherente oscillaties bereikten die tientallen microseconden duren. Dit is een belangrijke mijlpaal, die bewijst dat de spin van een enkel deeltje binnen een supergeleidend circuit gecontroleerd kan worden.

Het meest ambitieuze doel van dit onderzoek is echter het creëren van qubits die beschermd worden door de wetten van de fysica zelf, in plaats van alleen door engineering. Dit houdt het creëren van een aggregatietoestand bekend als een topologische supergeleider, die deeltjes huisvest genaamd Majorana zero modes. Dit zijn geen gewone deeltjes, maar eerder exotische excitaties die zich op een manier gedragen die hen ongelooflijk resistent maakt tegen lokale verstoringen. Als je probeert een van deze deeltjes te verstoren, wordt de informatie die het bevat over het hele systeem verspreid, waardoor het onmogelijk is voor een kleine glitch om de data te vernietigen. De beoordeling beschrijft de constructie van "minimale Kitaev-ketens", kleine, technisch vervaardigde arrays van kwantumdots die ontworpen zijn om de condities na te bootsen die nodig zijn voor het verschijnen van deze Majorana-deeltjes.

In een gedenkwaardig experiment beschreven in het artikel slaagden onderzoekers erin een qubit te creëren met behulp van twee van deze minimale ketens die aan elkaar gekoppeld zijn. De informatie in deze qubit wordt opgeslagen in de collectieve "pariteit" van het systeem, een eigenschap die beschrijft of het aantal elektronen even of oneven is. Het team demonstreerde dat ze deze qubit konden besturen, door deze tussen verschillende staten te laten oscilleren door elektrische pulsen toe te passen. Ze maten de tijd die deze oscillatie nodig had om te vervallen, en vonden een coherentietijd van ongeveer 26 nanoseconden. Hoewel dit zeer kort is in vergelijking met andere soorten qubits, is de prestatie diepgaand omdat het de eerste keer is dat een op Majorana gebaseerde qubit coherent is gecontroleerd. De onderzoekers toonden ook aan dat ze de staat van de qubit in één enkele actie (single shot) konden uitlezen, een cruciale stap voor elke praktische kwantumcomputer.

Het pad vooruit is niet zonder uitdagingen. De huidige apparaten zijn nog steeds gevoelig voor ruis, en de coherentietijden worden beperkt door diverse factoren, waaronder de aanwezigheid van rondvliegende deeltjes die de staat van de qubit kunnen doen omslaan. De beoordeling benadrukt dat hoewel deze vroege apparaten nog niet volledig topologisch beschermd zijn — wat betekent dat ze niet immuun zijn voor alle fouten — ze dienen als een essentieel bewijs van het concept. Ze demonstreren dat de complexe fysica die vereist is om deze exotische staten te creëren en te manipuleren, kan worden ingenierd en gecontroleerd. De onderzoekers werken nu aan het verlengen van deze ketens om ze langer en robuuster te maken, in de hoop uiteindelijk een regime te bereiken waarin de topologische bescherming in werking treedt en de qubits van nature stabiel worden.

Naarmate het vakgebied volwassen wordt, verschuift de focus van het bewijzen dat deze apparaten werken naar het betrouwbaar en schaalbaar maken ervan. De hybride benadering biedt een uniek voordeel: het combineert de volwassen controletechnieken van supergeleidende circuits met de kleine omvang en regelbaarheid van halfgeleidertechnologie. Deze convergentie maakt de creatie van compacte, gate-regelbare apparaten mogelijk die kunnen worden geïntegreerd in grotere processors. De beoordeling suggereert dat deze hybride qubits in de nabije toekomst als gespecialiseerde componenten in een kwantumcomputer kunnen dienen, waarbij ze fungen als zeer efficiënte koppelstukken of als beschermde geheugeneenheden, terwijl andere soorten qubits het zware werk van de berekeningen afhandelen.

Uiteindelijk vormt dit corpus van werk een belangrijke stap in de evolutie van de kwantumtechnologie. Door de kloof tussen twee verschillende fysieke platformen te overbruggen, openen wetenschappers nieuwe mogelijkheden voor hoe kwantuminformatie kan worden opgeslagen en verwerkt. De succesvolle controle van Majorana-gebaseerde qubits, zelfs in hun vroege en imperfecte vorm, suggereert dat de droom van het bouwen van een fouttolerante kwantumcomputer verschuift van de sfeer van de theorie naar de sfeer van de engineering. De weg vooruit vereist het oplossen van moeilijke problemen gerelateerd aan materialen en ruis, maar het fundament is gelegd en de eerste stappen zijn met opmerkelijke helderheid gezet.