Danske forskere har bevist eksistensen af vigtig kvantecomputer-partikel

Danske forskere har bevist eksistensen af vigtig kvantecomputer-partikel

Ph.d.-studerende Sven Albrecht og professor Charles Marcus i Center for Quantum Devices (QDev) på Niels Bohr Institutet i København. Her arbejder flere end 80 forskere, ph.d.-studerende og teknikere i en kæmpestor bygning, og over to hele etager er der opbygget toplaboratorier med avancerede instrumenter til eksperimenter. Foto: Ola Jakup Joensen, NBI

Ved hjælp af nanowirer, en superledende coating og lidt guld har forskere på Niels Bohr Institutet bevist, at den omdiskuterede Majorana-tilstand, som måske kan føre til lynhurtige kvantecomputere, findes.

Fysikere verden over håber, at kvantecomputere en dag kan overtage de helt tunge beregningsopgaver ved at hæve sig over de nuværende maskiners fastlåste bit-begrænsninger.

Men en af barriererne er, at de kvantestilstande, der gør det muligt at lagre og bearbejde informationerne med hidtil usete hastigheder, er meget skrøbelige og forandrer sig, når der bliver målt på dem.

Hvor de i deres superpositionstilstand kan arbejde i alle mulige kombinationer af 0 og 1 samtidig, vil de benyttede qubits ’vælge side’ efter en måling og blot blive til en almindelig bit.

Læs også: Sære fænomener gør kvante-computere suveræne

Elektron mikroskop-billede af en nanotråd, der svarer til dem, der blev anvendt i undersøgelsen. Den halvledende nanotråd (grøn), som er en tusindedel af bredden af et menneskehår, er belagt med en superleder (lyseblå) og med elektriske guld-tilledninger og elektrostatiske kontaktpunkter (gyldne). Foto: Shivendra Upadhyay / Sven Albrecht

Denne skrøbelighed har en gruppe forskere på Niels Bohr Institutet taget under kærlig behandling og fundet en mulig løsning på.

De har taget fat i de gamle teorier om Majorana-fermioner, som det blev forudsagt kunne opføre sig som både en partikel og dens egen antipartikel – det vil sige, at to af disse partikler kan ødelægges ved at fusionere.

Denne eksotiske tilstand tillader beregninger ved at rotere flere partikler omkring hinanden, hvilket svarer til samme fletning, som man opnår, når man fletter snore, hvormed information kan blive gemt i en sekvens af knuder.

Læs også: Kombination af halvleder og superleder baner vej for ny form for kvantecomputer

Nanowire skaber kvantetilstand

Skal tilstanden være brugbar, kræver det dog, at den holdes stabil, når der bliver målt på den, hvilket straks er værre.

Men ved hjælp af en NBI-designet nanowire, en superledende coating og lidt guld er det lykkedes at skabe denne Majorana-tilstand og holde den stabil, fortæller ph.d.-studerende på Center for Quantum Devises på NBI, Sven Albrecht.

»Vi har målt en ny slags kvantetilstand, som ikke fuldgyldigt har været set tidligere. Man kan sige, at det fungerer som en elektron, der eksisterer to steder på en gang, og det er utrolig brugbart,« siger han.

Fidusen er, at tilstanden, dvs. partiklens bølgefunktion, kommer til at eksistere i hver ende af nanowiren på samme tid. Det betyder i princippet, at begge skal forstyrres, før systemet vil kollapse, fortæller han.

Eksperimenterne foregår ved ultralave temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt, som er minus 273 grader C. Sven Albrecht og Charles Marcus følger målingerne. Foto: Ola Jakup Joensen, NBI

Læs også: Niels Bohr Institutet og Microsoft i samarbejde om kvantecomputere

Nanowiren er designet af hans kolleger på instituttet og består af en 5-10 mikrometer lang tråd af halvledermaterialet indiumarsenid påført aluminium på den ene side, som er superledende ved en temperatur på 0,05 K – tæt på det absolutte nulpunkt.

At overgangen mellem superlederen og nanowiren er perfekt på atomar skala, gør, at halvlederen i princippet overtager de superledende egenskaber.

»Da Majorana-tilstanden eksisterer i begge ender af nanowiren, kan en elektron hoppe ind i den ene ende og ud ad den anden. Det måler vi som en strøm, der løber gennem nanowiren,« fortæller Sven Albrecht.

Læs også: Fysikeren ville både være død og levende

Svært at opskalere

Udover at denne Majorana-tilstand er blevet bevist, har forskerne således også oplevet, at længden på wiren havde en afgørende betydning. Jo længere den var – og her taler vi i mikrometer – desto mere stabil blev kvantetilstanden.

Selv om der langtfra er tale om, at en praktisk anvendelig kvantecomputer nu er på vej, kan nanowiren muligvis gøre en forskel. Dog kræver det, at systemet bliver muligt at skalere kraftigt op ved f.eks. at koble titusindvis af disse nanotråde sammen i et grid.

»At opskalere systemet og stadigvæk kunne kontrollere det, er en af de ting, vi mangler. Og at kontrollere én Majorana-tilstand er allerede svært nok,« understreger Sven Albrecht.

Forskergruppens resultater er netop publiceret i tidsskriftet Nature (kræver login).

Kommentarer (0)