Produktion af nyt ’byggemateriale’ peger frem mod en kvantecomputer

Siden den legendariske – og på mange måder mytiske – italienske fysiker Ettore Majorana i 1937 foreslog eksistensen af en partikel, der er sin egen antipartikel, har forskere prøvet at finde majorana-partiklen, som den kaldes.

Hidtil uden succes

Nu har videnskabsmænd fra Niels Bohr Institutet (NBI) og det amerikanske Purdue University imidlertid bragt majorana-forskningen et betydningsfuldt skridt videre.

Her ses halvdelen af en wafer - det blå område. En 'platform', hvor forskerne begynder at bygge den særlige nanotråd. Foto: Ola Jakup Joensen

For selv om det dansk-amerikanske forskerhold ikke har påvist eksistensen af selve majorana-partiklen, så har videnskabsmændene fundet ud af, hvordan man kan producere et materiale, der består af partikler med majorana-egenskaber. Og samtidig har de i forsøg med stor præcision vist, at elektronerne i materialet opfører sig som majorana-partikler teoretisk vil gøre.

Forskningen er støttet af Grundforskningsfonden, Villum Fonden, Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) samt på den kommercielle side af Microsoft, som i forvejen har et tæt samarbejde med NBI - og majorana-opdagelsen er netop offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Physical Review Letters.

Uden ladning

En antipartikel er en elementarpartikel, der er fuldstændig magen til sin ’modpart’, men har modsat elektrisk ladning. Som det eksempelvis kan ses i forholdet mellem elektroner, der har negativ ladning, og positroner, som har positiv ladning.

Hvis en partikel også er sin egen antipartikel – som tilfældet altså vil være med en majorana-partikel, såfremt den eksisterer – vil den derfor ikke have nogen ladning.

De egenskaber, der ifølge Ettore Majoranas beregninger vil karakterisere en majorana-partikel, interesserer af flere årsager fysikere.

Nanowiren sidder i små edderkoppelignende strukturer. De er her fotograferet med et optisk mikroskop. Strukturerne sidder i tre rækker - med to strukturer i hver række. Foto: Ola Jakup Joensen

For det første vil sådanne egenskaber samlet i én og samme partikel repræsentere nye eksperimentelle muligheder - hvis partiklen altså findes.

Og dernæst antages majorana-egenskaber at kunne bruges i forbindelse med blandt andet konstruktion af kvantecomputere – det vil sige fremtidens informationskredsløb, som skal håndtere langt, langt større datamængder, end de nuværende supercomputere er i stand til.

Kvantecomputere er på tegnebrættet - og på ønskesedlen - hos forskere verden over. Det gælder også hos Center for Quantum Devices ved NBI, hvor adjunkt Fabrizio Nichele sammen med professor Charles Marcus har ledet det dansk-amerikanske forskningsprojekt.

”Skal man sige det meget forenklet, så har vi vist, hvordan man ved hjælp af teknikker, der ligner dem, som i dag bruges til fremstilling af computerkredsløb, også kan producere et materiale med majorana-egenskaber. Samtidig har vi vist, hvordan dette materiale gør det muligt for os med stor præcision at måle partiklers majorana-egenskaber”, forklarer Fabrizio Nichele.

Designet på en Laptop

NBI-forskerne bruger dette optiske mikroskop i deres arbejde med nanowirerne. Foto: Ola Jakup Joensen

Den dansk-amerikanske opdagelse handler om produktion af et materiale på basis af en ’sandwich’ af to ultratynde plader. Den nederste er af stoffet indium arsenid, en halvleder, og oven på denne plade lægges en anden plade af aluminium, som er en superleder. Og ’sandwichen’ sidder på en såkaldt wafer – en af de byggestene, der bruges i moderne computerteknologi Når man ud af dette ’sandwich-lag’ skærer en særlig nanowire, kan man skabe en tilstand, hvor elektroner får majorana-egenskaber inden i wiren – og dele af teorien bag denne ide har været kendt siden 2010, fortæller Fabrizio Nichele:

”Indtil nu har problemet imidlertid været, at nanowiren skulle frembringes i laboratoriet i særlige maskiner – og wiren har, helt bogstaveligt, kun været tilgængelig som en slags små ’enkelt-hår’. For at bygge eksempelvis en chip baseret på dette materiale, har man derfor skullet samle en ufattelig mængde bittesmå stykker. Så mange, at det rent praktisk har været meget vanskeligt og særdeles udfordrende at konstruere kredsløb på den måde”.

Det er lige her, den dansk-amerikanske opdagelse kommer ind i billedet, pointerer Fabrizio Nichele:

”Nu kan vi på en laptop designe nanowiren, så den bliver lige som vi vil have den. Ser vi længere frem, må selve produktionskapaciteten antages at stige – og så vi vil kunne bruge denne teknik i forbindelse med konstruktion af større computere”.

En majorana-partikels signatur - her projiceret op på en skærm. "Den horisontale stribe midt i figuren viser, at en nul-energi-partikel optræder i et magnetfelt i vores testudstyr. Som forventet for en majorana-partikel", forklarer Fabrizio Nichele. Foto: Ola Jakup Joensen

Den hurtige vej til Majorana

Selv om fremstilling af en kvantecomputer er et af de store mål for det arbejde, der udføres på Center for Quantum Devices på NBI, er processen langstrakt. Og kvantecomputeren er altså ikke lige om hjørnet, understreger Fabrizio Nichele:

En fremstilling af en af de nanowirer, NBI-forskerne arbejder med. Wiren er lavet af aluminium. Den er ca. 1/1000 mm. lang, og 1/20.000 mm. bred. Illustration: NBI

”Materialer med majorana-egenskaber har helt klart en række kvaliteter, som virker lovende i forbindelse med at bygge en såkaldt almen kvantecomputer – der altså vil skulle løse en række af de opgaver, vores nuværende supercomputere tager sig af, bare langt hurtigere og med meget større detaljeringsgrad. Derfor er det også logisk, at vi prøver at udrede disse majorana-egenskaber i denne sammenhæng, og dem søger vi nu at blive klogere på gennem forskellige eksperimenter”.

En del af disse eksperimenter foretager NBI-forskerne ved hjælp af særligt laboratorieudstyr ved temperaturer i nærheden af det absolutte nulpunkt på -273,15 C, forklarer Fabrizio Nichele:

”Når man arbejder ved så ekstreme kuldegrader, kan man nemlig i detaljer studere superledende egenskaber i en række materialer. Men at satse på majorana-egenskaber er kun en af en række mulige og potentielt spændende veje frem mod konstruktionen af en kvantecomputer. Det her er meget komplekst, for man kan nemlig sagtens forestille sig, at en sådan computer, når den en dag er en realitet, vil være baseret på en eller anden form for sammenkobling af en række forskellige teknikker og materialer, hvoraf materialer med majorana-egenskaber sagtens kan være en del”, siger Fabrizio Nichele.

Fabrizio Nichele ved et af de mikroskoper, der anvendes i forbindelse med forskningen på Center for Quantum Devices. Foto: Ola Jakup Joensen

Også videnskabsmænd, der arbejder med Ettore Majoranas formel med helt andre hensigter end at bygge en kvantecomputer, kan få glæde og nytte af det dansk-amerikanske forskningsprojekt, forklarer Fabizio Nichele:

”Med vores teknik kan man udføre eksperimenter, som hidtil ikke har været mulige – og dermed er det for eksempel også blevet lettere at lede efter majorana-partikler”.

Foruden kolleger fra Perdue University, har NBI-forskerne også på det seneste studeret majorana-egenskaber sammen med amerikanske kolleger fra University of California, Santa Barbara. Resultatet af dette samarbejde publiceres ligeledes i Physical Review Letters, men i en separat artikel.

• Se artiklen i Physical Review Letters >>

Fabrizio Nichele, PhD og Adjunkt, Center for Quantum Devices, Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, Email: fnichele@nbi.ku.dk

Emner