QuTech zet nieuwe stap naar kwantumcomputer, opnieuw met stabielere Majoranadeeltjes

Majoranadeeltjes zijn nog altijd heel aantrekkelijk als basis voor stabiele qubits, ofwel het equivalent van bits maar dan in een kwantumcomputer. Onderzoekers van het Delftse QuTech hebben nu een nieuwe manier ontwikkeld om het bestaan van deze deeltjes aan te tonen en ze te controleren.

Thijs DoorenboschMeer van deze auteur

majorana in nanowires — © Bar Dvir

Bar Dvir

De hoop op minder storingsgevoelige kwantumcomputers op basis van Majorana-deeltjes lijkt weer helemaal terug. Microsoft kondigde ongeveer een jaar geleden al aan vol gas te geven op het onderzoek naar de inzet van Majorana-deeltjes. Nu meldde ook QuTech - een samenwerkingsverband van de TU Delft en TNO - vorige week opnieuw een doorbraak die is gepubliceerd in het toonaangevende Nature

Tot nog toe was het onderzoek - door de wetenschappelijke gemeenschap en later ook door de industrie - vooral gericht op materiaalsynthese, beginnen postdoctoraal student Tom Dvir en co-auteur Guanzhong Wang hun uitleg. "Het doel was materiaal met de juiste eigenschappen te vinden zodat die wanneer het materiaal gekoeld werd, gelijk ingezet konden worden. In de nieuwe methode is het accent gelegd op elektrische controle. Dat maakt het mogelijk het materiaal terwijl het op bedrijfstemperatuur is aan te passen, zodanig dat de Majoranadeeltjes ontstaan."

Majoranadeeltjes

De eigenschappen van Majoranadeeltjes - of eigenlijk Majorana fermions - werden in 1937 in theorie al beschreven door hun naamgever, de Italiaanse natuurkundige Ettore Majorana. De deeltjes komen altijd in paren, in tegenstelling tot andere qubits die altijd zijn gebaseerd op enkele deeltjes zoals een elektron. Het voordeel daarvan is dat als een deeltje wordt verstoord door een externe factor, het andere deeltje ongedeerd blijft. Dat maakt de Majoranadeeltjes veel stabieler als uitgangsmateriaal voor een qubit. Instabiliteit van qubits is tot nog toe een groot probleem bij de praktische opzet van een kwantumcomputer. Om er zeker van te zijn dat berekeningen kloppen, wordt bij de meeste kwantumopstellingen nu hard gewerkt aan een heel stelsel aan controlemechanismen. Als dat niet meer nodig zou zijn, door het systeem te baseren op Majoranadeeltjes, levert dat een enorm voordeel op.

Het duurde echter tot een jaar of tien geleden dat Majoranadeeltjes in praktijk konden worden aangetoond door TU Delft hoogleraar Leo van Kouwenhoven, die daar wereldwijde bekendheid door verkreeg. Er bleek drie jaar geleden toch behoorlijk wat af te dingen op dat onderzoek. De integriteitsonderzoeken die volgden, hebben de Delftse onderzoekers er echter niet van weerhouden het fenomeen verder te onderzoeken. Nu met een andere aanpak en met succes, zo blijkt uit een nieuwe Nature-publicatie die eind vorige week uitkwam.

De onderzoekers creëerden twee 'quantum dots' ofwel plekken waar de qubits worden beheerd. Die twee waren van elkaar gescheiden door een kort supergeleidend nanodraadje. De twee zijn elektrisch gekoppeld op twee manieren. Ten eerste springen er elektronen tussen beide quantum dots heen en weer. De andere manier is dat elektronenparen tegelijkertijd het nanodraadje binnenkomen en verlaten. Door die processen precies te kunnen reguleren, konden de juiste condities voor het ontstaan van de Majoranadeeltjes worden gecreëerd.

Uitbreiding nodig

Dvir: "Op dit moment werken we met een gesimplificeerde versie van Majorana's met maar twee quantum dots. We willen uiteindelijk meer dots hebben, minimaal vijf, zodat de Majoranadeeltjes beter zijn verdeeld. Hoe verder ze uit elkaar zijn te halen, hoe beter het gehele qubit is beschermd tegen ruis."

Leo Kouwenhoven - die het onderzoek begeleidt - ziet twee belangrijke volgende stappen die genomen moeten worden. De eerste is aan te tonen dat er met deze aanpak een volledig Majorana ontstaat. Daarnaast moet met deze Majorana's een qubit worden gemaakt. Daarvoor zijn meerdere opstellingen van dit systeem nodig en verdere fijnafstemming."