BRAINPORT

met Eindhoven als hart, is een innovatieve toptechnologieregio van wereldformaat. Hier bedenken we oplossingen voor de maatschappelijke uitdagingen van morgen.

Over Brainport

'Nano-hashtags' TU/e nieuwe stap richting quantumcomputer

25 augustus 2017

Een internationaal team onderzoekers van Technische Universiteit Eindhoven (TU/e), TU Delft en de Universiteit van Californië – Santa Barbara heeft een geavanceerde quantumchip gepresenteerd die het definitieve bewijs voor de mysterieuze Majorana-deeltjes kan leveren; de in 2012 voor het eerst aangetoonde deeltjes die tegelijk hun eigen antideeltje zijn. De chip, die bestaat uit netwerken van ultradunne nanodraden in de vorm van ‘hashtags’, bezit alle kwaliteiten om Majorana-deeltjes van plek te laten verwisselen. Dat wordt gezien als de smoking gun én een cruciale stap om ze als bouwsteen van toekomstige quantumcomputers te gebruiken.

Majorana-fermion
In 2012 was het groot nieuws: onderzoekers van de Technische Universiteit Delft en TU/e presenteerden de eerste experimentele aanwijzingen voor het bestaan van het zogeheten Majorana-fermion. Dit deeltje, in 1937 voorspeld door de Italiaanse natuurkundige Ettore Majorana, heeft de bijzondere eigenschap dat het tegelijkertijd zijn eigen antideeltje is. De deeltjes doken op aan de uiteindes van een halfgeleidende draad, in contact met een supergeleidend materiaal.

Smoking gun
De gevonden deeltjes hadden weliswaar eigenschappen die pasten bij Majorana’s, maar een van de interessantste bewijzen moet volgen uit het van plaats laten verwisselen van twee Majorana-deeltjes, binnen de wetenschap bekend als ‘braiding’. “Dat is de smoking gun”, stelt prof.dr. Erik Bakkers, een van de onderzoekers van de TU/e. “Het gedrag dat we dan zien kan het meest overtuigende bewijs tot nu toe leveren voor het bestaan van Majorana’s.”
 
Klik hier voor een animatie die uitlegt wat braiding van Majorana-deeltjes is en hoe de onderzoekers dit willen bereiken. 

Kruispunten
Bakkers en zijn collega’s presenteerden woensdag in het wetenschappelijke tijdschrift Nature een paper over een nieuwe meetopstelling waarmee het 'braiden' moet kunnen lukken. In de originele meetopstelling in 2012 bevonden twee Majorana-deeltjes zich in een enkele draad, waarbij ze elkaar niet konden passeren zonder elkaar direct te vernietigen. De onderzoekers moesten daarom letterlijk ruimte creëren. In deze opstelling vormen ze met dezelfde soort nanodraadjes kruispunten, waarbij vier kruispunten een letterlijke ‘hashtag’ maken, #, en dus een gesloten kring vormen waarlangs Majorana’s kunnen bewegen.

Etsen en blazen
De onderzoekers bouwen hun opstelling letterlijk vanuit het niets op. De nanodraadjes van indiumfosfide (InP) laten ze groeien uit een speciaal geëtst substraat, zodat ze precies het gewenste netwerk vormen. Vervolgens blazen ze hier een stroom aluminiumdeeltjes langs en ontstaan op specifieke plekken laagjes aluminium op de draadjes – de contacten waar de Majorana-deeltjes ontstaan. Plekken die ‘in de schaduw’ liggen van andere draadjes blijven onbedekt.

Sprong in kwaliteit
Het hele proces gebeurt in vacuüm en bij ultralage temperatuur. “Dit zorgt voor hele schone, zuivere contacten”, zegt Bakkers. “We maken hiermee een grote sprong in kwaliteit van dit soort quantum devices.” De metingen die ze tonen van een aantal elektronische en magnetische eigenschappen demonstreren dat alle ingrediënten in huis zijn om de Majorana’s om te wisselen.

Quantumcomputers
Als het lukt om de deeltjes om te wisselen, vangen de onderzoekers meteen twee vliegen in één klap. Majorana’s worden vanwege hun robuustheid gezien als de ideale bouwsteen voor toekomstige quantumcomputers, die veel berekeningen tegelijkertijd kunnen uitvoeren en daarmee vele malen sneller zijn dan de huidige computers. Het omwisselen van twee Majorana-deeltjes zou de basis kunnen vormen van een qubit, de rekeneenheid van deze computers.

Reis om de wereld
Interessant detail is dat de devices over de hele wereld zijn gereisd om ze te maken. Het begon in Delft met het etsen van het substraat, vervolgens naar Eindhoven voor het groeien van de nanodraadjes, en naar Santa Barbara voor het maken van de aluminiumcontacten. Uiteindelijk kwamen ze via Eindhoven weer terug naar Delft voor de metingen.

'Nano-hashtags' TU/e nieuwe stap richting quantumcomputer