Ein entscheidender Durchbruch für die Quantentechnologie

Die häufigsten Teilchen sind Elektronen und Photonen, die als Beispiele für die großen Familien der Fermionen und Bosonen verstanden werden, zu denen alle anderen Teilchen in der Natur gehören. Aber es gibt noch eine andere mögliche Kategorie von Teilchen, die sogenannten Anyons. Es wird vorhergesagt, dass Anyons in Materialien erscheinen, die klein genug sind, um die Wellenfunktion des elektronischen Zustands einzuschränken, wenn sie aus dem kollektiven Tanz vieler interagierender Elektronen hervorgehen.

Einer von ihnen heißt Majorana-Nullmodus, Anyonic-Cousins ​​​​von Majorana-Fermionen, die 1937 von Ettore Majorana vorgeschlagen wurden. Von Majoranas, wie diese hypothetischen Anyonen liebevoll genannt werden, wird erwartet, dass sie viele exotische Eigenschaften aufweisen, wie z Antiteilchen, die gegenseitige Vernichtung und die Fähigkeit, sich zu verstecken, ermöglichen Quanteninformationen indem es nichtlokal im Raum kodiert wird. Gerade diese letzte Eigenschaft verspricht widerstandsfähiges Quantencomputing.

Seit 2010 haben sich viele Forschungsgruppen beeilt, Majoranas zu finden. Im Gegensatz zu elementaren Teilchen wie dem Elektron oder Photon, die natürlicherweise im Vakuum existieren, müssen Majoranas Anyons in Hybridmaterialien erzeugt werden. Eine der vielversprechendsten Plattformen für deren Realisierung setzt auf Supraleiter-Halbleiter-Hybrid-Nanobauelemente. In den letzten zehn Jahren wurden diese Geräte bis ins kleinste Detail untersucht, in der Hoffnung, die Existenz von Majoranas eindeutig beweisen zu können. Majoranas sind jedoch empfindliche Einheiten, die leicht übersehen oder mit anderen Quantenzuständen verwechselt werden.

In einem neuen Artikel veröffentlicht in Naturhaben Wissenschaftler mehr Licht in das Mysterium der Majorana-Physik geworfen. Zum ersten Mal wurden zwei etablierte Techniken gleichzeitig auf ein und dasselbe Gerät angewendet. Zu ihrer Überraschung stellten die Forscher fest, dass die mit einer Technik (Coulomb-Spektroskopie) beobachteten Zustände, die auf den ersten Blick sehr auf Majoranas hindeuten, nicht vorhanden waren, wenn sie sie in der anderen Perspektive suchten, die die zweite Technik (Tunnelspektroskopie) bot ).

Die Beobachtungen ähneln dem folgenden metaphorischen Szenario. Auf der Suche nach dem legendären Rockstar Majorana spähen Sie durch eine Tür (Quelle) in eine Bar. Ein Konzert scheint stattzufinden. Sie sehen deutlich einen bemerkenswerten Rockstar auf der Bühne, gekleidet in ein Majorana-Outfit, der das Majorana-Lied singt. Die Bar ist voll von Majorana-Fans, die ihn bewundernd beobachten. Wenn Sie jedoch eine große (Flucht-)Tür am anderen Ende der Bar öffnen, eilen die Fans hinaus, einschließlich des vermeintlichen Rockstars. Als wahrer Künstler würde die echte Majorana so etwas niemals tun.

„Genau das macht Majoranas so besonders. So wie echte Rockstars die Bühne nicht einfach verlassen, wenn ein Ausgang verfügbar ist, bleibt der Majorana Anyon aufgrund eines tiefen mathematischen Prinzips, das Schutz genannt wird, an einer Seite des Nanogeräts festgenagelt. selbst wenn normale Elektronen durch die gegenüberliegende Seite entweichen können“, erklären die Forscher.

„Wir haben untersucht, ob es ein Majorana gibt oder nicht. Unter unseren experimentellen Bedingungen sind die Gates nur Tunnelbarrieren, durch die Elektronen ein- und austreten. Es gibt ein Drain-Gate und ein Source-Gate. unser Rockstar Majorana Impostor entpuppt sich als eine andere Art von Quasiteilchen. Verstehen Sie mich nicht falsch, das sind interessante supraleitende Quasiteilchen, aber keine Majoranas“, so die Wissenschaftler weiter.

Die Ergebnisse unterstreichen die Tatsache, dass Majoranas überzeugende Betrüger überall sind. Sie können in vielen verschiedenen Gerätetypen vorhanden sein und verschiedene Messstrategien individuell täuschen. Die Kombination zweier Messstrategien, die auf dasselbe Gerät angewendet wurden, deckte den Betrüger durch ein scheinbares Paradoxon auf, ein Ansatz, der die Mehrdeutigkeiten bei der Interpretation zukünftiger Experimente drastisch reduzieren könnte. Dies ist ein notwendiger Schritt, um die schwer fassbare Majorana zu fangen und schließlich damit zu beginnen, ihre Macht zu nutzen.