Nadat Delftse onderzoekers twee jaar geleden hun Nature-publicatie over een veelbelovende bouwsteen voor toekomstige quantumcomputers moesten terugtrekken, komen ze nu met een nieuwe aanpak. Door een stap terug te doen, lijken de felbegeerde stabiele majoranadeeltjes alsnog in zicht.
Delftse onderzoekers zijn onder leiding van Leo Kouwenhoven al ruim tien jaar op zoek naar majoranadeeltjes. In 2012 vonden ze de eerste hoopvolle tekenen. Majoranadeeltjes zijn geen elementaire deeltjes, zoals elektronen, maar zogeheten quasideeltjes, waarbij deeltjes in een materiaal zich gezamenlijk gedragen alsof ze een deeltje zijn.
Majoranadeeltjes
Het materiaal waarin je deze majorana-quasideeltjes opwekt, zou ze kunnen beschermen tegen verstoring van buitenaf. Die stabiliteit maakt majorana’s op papier zeer geschikt als bouwsteen voor een toekomstige quantumcomputer, die bepaalde taken veel sneller uit kan voeren dan mogelijk is met huidige computers.
Deeltjesfysicus Dylan van Arneman: ‘Ik ben op zoek naar iets wat misschien niet bestaat’
Dylan van Arneman verruilt een paar keer per jaar zijn werkkamer op het Science Park in de Watergraafsmeer voor de ondergrond ...
In 2018 verscheen er een Nature-publicatie waarin de Delftse onderzoekers lieten ziet dat het gelukt was om majoranadeeltjes te vinden aan de uiteinden van ultradunne supergeleidende nanodraadjes. Maar na kritiek op de metingen moesten ze dit artikel in 2020 terugtrekken.
De onderzoeksgroep heeft sindsdien niet stilgezeten. Ze werken aan een nieuwe aanpak waarmee het nu gelukt lijkt om eenvoudigere, ‘sobere majorana’s’ te maken. Dat is een eerste stap naar meer stabiele majoranadeeltjes.
‘De afgelopen jaren werd het duidelijk dat je met nauwkeurige metingen verschijnselen ziet ontstaan in je materiaal die in eerste instantie erg op majorana’s lijken, maar die toch niet alle benodigde eigenschappen hebben’, zegt Guanzhong Wang, promovendus bij QuTech, het onderzoeksinstituut voor quantumtechnologie van de TU Delft en TNO.
Korte ketting
Dat riep de vraag op waarom de nanodraadjes zich niet gedroegen zoals gehoopt. De Delftse onderzoekers denken dat de materialen niet zuiver genoeg zijn, waardoor er verstoringen ontstaan. In theorie zouden majorana’s bestand moeten zijn tegen zulke verstoringen, maar daar zit wel een grens aan. Het lijkt erop dat er te veel verstoringen waren.
Daarom hebben de onderzoekers nu een stap teruggedaan. Ze hebben een korter, simpeler nanodraadje gemaakt, waarin ze de omstandigheden beter kunnen controleren. Majoranadeeltjes verschijnen altijd in tweetallen, een aan elk uiteinde van zo’n nanodraadje. Je kunt een majoranapaar zien als twee halve elektronen.
Het kortere nanodraadje doet een beetje denken aan een kralenketting, omdat het bestaat uit twee zogeheten quantumdots, kleine eilandjes van halfgeleider in een niet-geleidende omgevng, met daartussen een stukje nanodraad bedekt met een supergeleidend materiaal. Elektronen kunnen op specifieke manieren heen en weer bewegen tussen de quantumdots en het supergeleidende stukje nanodraad. ‘Door het gedrag van elektronen in het supergeleidende deel heel nauwkeurig te controleren, kunnen we ervoor zorgen dat er majorana’s aan de uiteinden ontstaan’, vertelt Tom Dvir, postdoctoraal onderzoeker bij QuTech.
De onderzoekers hebben nu aangetoond dat ze in het versimpelde systeem met twee quantumdots voldoende controle hebben om eenvoudige, ‘sobere majorana’s’ te laten ontstaan.
Kauwgom
‘De volgende stap is om de majoranadeeltjes niet alleen te meten, maar ook te manipuleren zodat we ze kunnen gebruiken als qubit’, zegt Dvir. ‘Tegelijkertijd zullen we gaan kijken of we de ketting langer kunnen maken, zodat de majorana’s verder uit elkaar zitten, wat ze stabieler en robuuster moet maken.’
‘Ik vind het een prachtig experiment’, zegt theoretisch natuurkundige Carlo Beenakker van de Universiteit Leiden, die niet betrokken was bij het onderzoek. ‘Ze hebben een stap terug gezet om eerst iets te bouwen wat ze goed snappen, om vervolgens voorzichtig, stap voor stap, toe te werken naar het einddoel: stabiele majorana’s.’
Beenakker vergelijkt de twee majorana’s aan de uiteinden met een stukje kauwgom dat je uit elkaar trekt. Als je het zover uit elkaar trekt dat het in twee stukken breekt, heb je twee majoranadeeltjes. Als je ze weer samenvoegt dan heb je weer je oude elektron terug.
Eerste stap
‘Wat ze nu gedaan hebben in het experiment is de kauwgom een beetje uit elkaar trekken.’, zegt Beenakker. ‘Maar de delen zijn niet losgemaakt van elkaar. Ze kunnen dus zo weer terugschieten tot een elektron.’
Beenakker ziet het daarom als een eerste stap naar een ‘echt majoranadeeltje’. ‘Misschien, als je een langere ketting maakt en harder gaat trekken, krijg je twee onafhankelijke deeltjes, maar zover zijn we nu nog niet.’
