Topologisk superledning i nanotråder: Et skritt på veien til en ny form for kvantebit

Som Ingeniøren flere ganger tidligere har beskrevet, går Microsofts bestrebelser ut på å bygge opp en kvantedatamaskin ved å basere den på såkalte topologisk beskyttede qubits.

Slike qubits vil potensielt kunne ha en mye større stabilitet enn de superledende qubits som for eksempel Google og IBM satser på i kvantedatamaskin-prosjektene sine.

Microsofts forskning foregår blant annet i samarbeid med Center for Quantum Devices på Københavns Universitet.

Her har de nå kommet et skritt videre i jobben med å kunne produsere topologiske qubits, som fremdeles bare er teoretikernes drøm.

I en ny vitenskapelig artikkel i Science har en forskergruppe under ledelse av professor Charles Marcus kombinert to kjente metoder for å produsere såkalte Majorana-nullenergi-tilstander i endene av en nanotråd av halvledermaterialet indiumarsenid omgitt av et tynt belegg av aluminium, og som er superledende ved de lave temperaturene omkring 20 mK, som benyttes i eksperimentene.

I denne forbindelsen er det i første omgang viktig å vite at Majorana-nullenergi-tilstander, eller Majorana zero modes (MZM), er spesielle tilstander som man teoretisk sett har påvist kan utnyttes i forbindelse med feiltolerante beregninger i en kvantedatamaskin.

Problemet er bare at det er ekstremt komplisert å ta det siste skrittet for å lage en egentlig qubit eller kvantebit på denne måten.

Det er vanskelig, viktig og vakkert

Trikset med de topologiske qubit-ene er at de vil være veldig stabile, fordi de i matematisk forstand kan «flettes» sammen og dermed oppnå en stabilitet som ofte sammenlignes med å binde en knute på en tråd. Men så langt har man ennå ikke kommet.

Men enkelt er det ikke.

– Kvanteberegninger er like vanskelige som de er viktige og vakre. Det vil kreve en kombinasjon av ingeniørmessig arbeidsdisiplin, og plutselig innsikt og oppdagelse, å komme seg dit. Det nye resultatet som vi har offentliggjort i Science, er slik sett en uventet oppdagelse, forklarer Charles Marcus til Ingeniøren.

Skal vi gå litt dypere ned i forskningsresultatet, har det hittil vært to kjente veier til MZM: Enten har man brukt endimensjonal topologisk superledning i nanotråder, eller man har brukt såkalt virvelbasert topologisk superledning.

Forskerne ved Københavns Universitet har nå kombinert de to effektene ved å produsere sekskantede nanotråder som er fullstendig omgitt av et belegg av aluminium – i motsetning til tidligere eksperimenter andre steder, hvor nanotråder bare delvis har vært omgitt av et superledende materiale.

De nye nanotrådene med det heldekkende skallet er utviklet av Peter Krogstrup, som i tillegg til å være professor ved Center for Quantum Devices også er Scientific Director for Microsoft Materials Lab i Lyngby.

Selv dårlige dager gir framskritt

Postdoc Saulius Vaitiekėnas, som har utført eksperimentene i laboratoriet, forklarer:

– Vi har oppdaget en mye enklere metode for å skape Majorana-nullenergi-tilstander på, hvor man også kan slå dem på og av. Det kan utgjøre en enorm forskjell for det videre arbeidet vårt.

Charles Marcus legger til at det bare var ren nysgjerrighet som var bakgrunnen for å gjennomføre eksperimentene, og det er for tidlig å vite om selve nanotråden er det avgjørende skrittet, eller om det snarere er det de bakenforliggende ideene som kan utnyttes.

Når vi en gang omsider får den helt ferdige topologiske qubit-en og en tilsvarende kvantedatamaskin, er Charles Marcus ikke særlig opptatt av å uttale seg om – kanskje ikke underlig, for i forskningens verden gis det naturligvis ingen garantier for suksess.

Han forklarer det bare på denne måten.

– Noen dager oppdager vi at en bestemt tilnærming ikke virker. Slike dager kan det virke som om målet (en kvantedatamaskin, red.) er lengre unna. Men det er en illusjon. Dette er også framskritt, for vi vet mer enn vi gjorde dagen før.

Denne saken ble først publisert på danske Ingeniøren, og gjøres tilgjengelig på norsk gjennom vår samarbeidsavtale med Teknologiens mediehus/Ingeniøren.