Tutkijat löysivät uuden vaihtoehdon kubittien rakennusaineeksi – elektroneja huijaamalla
Kvanttitietokoneissa yleensä käytetyt suprajohtavat kubitit pystyvät äärimmäisen nopeisiin ja vaikeisiin laskutoimituksiin, mutta niillä on myös heikko puolensa: kvantti-informaatio haihtuu niistä hyvin nopeasti, mikä rajoittaa käytännön laskutoimituksia.
Nyt teoreettiset ja kokeelliset fyysikot ovat yhteistyössä onnistuneet luomaan uudenlaisen materiaalin, topologisen suprajohteen, jota voidaan tulevaisuudessa käyttää kubittien rakennusaineena. Tutkimustulokset julkaistiin juuri .
Tutkijat loivat uuden materiaalin yhdistämällä hyvin ohuen kerroksen suprajohtavaa ja magneettista materiaalia. Niiden rajapinnalle syntyi Majorana-hiukkanen, jonka olemassaolon Ettore Majorana ennusti teoreettisesti jo vuonna 1937. Majorana-hiukkanen on samalla oma antihiukkasensa eli sillä on tietyt vastakkaiset ominaisuudet ja sen varaus on nolla.
”Nyt luotua uutta, hyvin ohutta materiaalia voidaan käyttää niin sanottujen topologisten kubittien rakentamiseen. Kvantti-informaatio säilyy näissä kubiteissa solmun kaltaisessa muodossa, kahden Majorana-hiukkasen kietoutuessa toisiinsa”, kertoo Aalto-yliopiston professori Peter Liljeroth.
Majorana-hiukkasia ei ole vielä löydetty luonnosta, mutta niitä voidaan luoda keinotekoisesti. Tämä tarkoittaa materiaalissa olevien elektronien huijaamista kvanttimekaniikan avulla siten, että joukko elektroneja käyttäytyy kuin Majorana-hiukkanen. Tässä onnistuivat ensimmäistä kertaa Delftin teknillisen yliopiston tutkijat laboratoriossaan vuonna 2012.
Vuorovaikutusten hienosäätöä
Normaalisti suprajohtavuus ja magnetismi ovat toisilleen vastakkaisia ilmiöitä: materiaalit, jotka ovat suprajohteita eivät ole magneettisia ja magneetit eivät ole suprajohteita. Lisäksi suprajohtavat materiaalit lakkaavat suprajohtamasta, kun ne joutuvat kosketuksiin magneetin kanssa. Suprajohtavuus tarkoittaa, että sähkövirta pääsee kulkemaan aineessa täysin ilman häviötä.
”Suprajohtavan ja magneettisen materiaalin väliset vuorovaikutukset muuttavat niiden ominaisuuksia, mutta Majorana-tilojen luomiseksi materiaalien tarvitsee olla vuorovaikutuksessa vain vähän. Majorana-hiukkasille tarvittavat ominaisuudet pääsevät syntymään tässä vähäisessä vuorovaikutuksessa, mutta materiaalit säilyttävät samalla alkuperäiset ominaisuutensa”, sanoo tutkijatohtori Shawulienu Kezilebieke.
Tutkijat kasvattivat ohuita materiaalikerroksia molekyylisuihkuepitaksia-menetelmällä ja käyttivät niiden rakenteen ja sähköisten ominaisuuksien mittaamiseen pyyhkäisytunnelointimikroskooppia. Sen terävä neula tarkastelee materiaaleja atomien tarkkuudella.
Atomitason teoreettisesta ja tietokonemallinnuksesta vastasivat Aalto-yliopiston professori Adam Foster ja Tampereen yliopiston professori Teemu Ojanen.
”Tietokonesimulaatioiden avulla voidaan kuvata ja ymmärtää ominaisuuksia, joita ei voi suoraan kokeellisesti mitata. Perusteellinen tietokonesimulaatio oli tutkimuksessa tarpeen sen todistamiseksi, että mikroskoopilla mitattu virtasignaali aiheutui juuri Majorana-tilasta”, sanoo Adam Foster.
Tutkimusyhteistyöhön osallistui tutkijoita Aallon ja Tampereen yliopiston lisäksi Puolan M. Curie-Skłodowska -yliopistosta. Tutkimuksessa on hyödynnetty kansallista OtaNano-tutkimusinfrastruktuuria, joka tarjoaa korkeatasoisen kokeellisen ympäristön ja laitteistot nanotieteiden ja -teknologioiden, sekä kvanttiteknologioiden tutkimukseen. OtaNano operoinnista vastaavat Aalto-yliopisto ja Teknologian tutkimuskeskus VTT. Infrastruktuuri on sekä akateemisten että kaupallisten käyttäjien hyödynnettävissä kansainvälisesti. Lue lisää .
äپٴᲹ:
Artikkeli:
Professori Peter Liljeroth
Aalto-yliopisto, teknillisen fysiikan laitos
peter.liljeroth@aalto.fi
puh. 050 363 6115
Tutkijatohtori Shawulienu Kezilebieke (englanniksi)
Aalto-yliopisto, teknillisen fysiikan laitos
kezilebieke.shawulienu@aalto.fi
Professori Adam Foster (englanniksi)
Aalto-yliopisto, teknillisen fysiikan laitos
adam.foster@aalto.fi
Professori Teemu Ojanen
Tampereen yliopisto, tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta
teemu.ojanen@tuni.fi
puh. 040 510 5406
Lue lisää uutisia
Rakennusyritysten on välttämätöntä satsata tekoälyyn
Antti Ainamon mukaan tekoäly auttaa yhä useammin rakennusalan yrityksiä ennakoimaan ongelmat ennen kuin ne paisuvat – ja toisinaan jo ennen kuin niitä edes syntyy.
Ennätyksellinen fotoniikan keksintö vangitsee valon sirulle miljooniksi kierroksiksi
Tutkimus on merkittävä edistysaskel van der Waals -materiaalien hyödyntämisessä fotoniikka- ja kvanttilaitteissa.
Uuvuttaako puhelimen selailu? Tekoälymalli simuloi nyt fyysistä ponnistelua
Älypuhelinten keräämät lokit kertovat, mitä kohtia näytöstä käyttäjät napauttavat ja pyyhkäisevät. Nyt tutkijat ovat kehittäneet tekoälymallin, joka simuloi näihin liikkeisiin liittyvää tuki- ja liikuntaelimistön rasitusta.