研究調(diào)查旋轉(zhuǎn)軌道相互作用如何保護(hù)Majorana納米線

代爾夫特理工大學(xué)的研究人員最近開展了一項(xiàng)研究調(diào)查Majorana納米線中自旋軌道相互作用的研究。他們的研究發(fā)表在物理評(píng)論快報(bào)上，是第一個(gè)清楚地展示出能夠創(chuàng)造難以捉摸的Majorana粒子的機(jī)制，這種粒子可能成為更穩(wěn)定的量子計(jì)算機(jī)的構(gòu)建模塊。

“我們的研究旨在對(duì)理論上提出的Majorana零模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，”進(jìn)行這項(xiàng)研究的研究人員之一Jouri Bommer通過電子郵件告訴Phys.org。“這顆顆粒是它自己的反粒子，特別令人感興趣，因?yàn)樗A(yù)計(jì)可用于開發(fā)拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)。”

量子計(jì)算是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)有前途的領(lǐng)域，它探索使用量子力學(xué)現(xiàn)象和量子態(tài)來存儲(chǔ)信息和解決計(jì)算問題。在未來，量子計(jì)算機(jī)可以解決傳統(tǒng)計(jì)算方法無法解決的問題，例如，能夠?qū)π滤幬锖头肿舆M(jìn)行計(jì)算和確定性設(shè)計(jì)。

盡管這些計(jì)算機(jī)具有顯著的優(yōu)勢(shì)，但是大多數(shù)量子計(jì)算方法都受到對(duì)噪聲的敏感性，這被稱為“退相干”。因此，研究人員開發(fā)出一種新型的量子計(jì)算機(jī)，它依賴于Majorana粒子，這些粒子本身就可以防止噪音。這種“拓?fù)?rdquo;保護(hù)需要超導(dǎo)性，這種現(xiàn)象允許無耗散的電流。

“通過將量子信息編碼到Majorana零模式的拓?fù)鋵傩灾?，可以從基本設(shè)備級(jí)別解決退相干誤差/問題，”Bommer解釋說。“這種新穎的系統(tǒng)本質(zhì)上可以防止噪音，這是一個(gè)困擾量子計(jì)算的替代方法的問題。對(duì)噪音的拓?fù)浔Ｗo(hù)很像將信息存儲(chǔ)在繩索中的結(jié)：通過輕微搖動(dòng)繩索，結(jié)將不會(huì)被解除“。

Majoranas的產(chǎn)生依賴于磁場(chǎng)，磁場(chǎng)通常與超導(dǎo)性不相容; 對(duì)Majoranas的明確要求?？朔@種限制的一種解決方案是利用電子運(yùn)動(dòng)與其內(nèi)部“磁體”的相互作用，這種現(xiàn)象稱為自旋 - 軌道相互作用。在這種相互作用的存在下，材料不會(huì)強(qiáng)烈地感受到Majoranas所需的磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)性。

“以前的研究已經(jīng)顯示出支持Majorana零模式存在的特征，盡管到目前為止，關(guān)于這些實(shí)驗(yàn)特征是否可以被其他物理現(xiàn)象模仿還存在相當(dāng)大的爭(zhēng)議，”Bommer解釋道。“在我們最近的出版物中，我們采用不同的方法并研究創(chuàng)建Majorana零模式的先決條件。為了創(chuàng)建Majorana，我們需要一種本質(zhì)上具有自旋軌道相互作用的半導(dǎo)體納米線，我們將其耦合到超導(dǎo)材料到使超導(dǎo)“泄漏”到半導(dǎo)體納米線中。“

到目前為止，大多數(shù)研究都假設(shè)在實(shí)驗(yàn)中存在自旋 - 軌道相互作用，這些實(shí)驗(yàn)證明了Majorana模式的證據(jù)。盡管如此，還沒有人研究過這種相互作用在超導(dǎo)體和半導(dǎo)體Majorana線中的影響，這對(duì)于創(chuàng)建這些模式至關(guān)重要。

“在我們的研究中，我們揭示了這種效應(yīng)并直接測(cè)量了這種自旋 - 軌道相互作用及其強(qiáng)度，”Bommer說。“我們通過研究各種不同方向的磁場(chǎng)對(duì)超導(dǎo)性的影響來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。”

通常，磁場(chǎng)通過閉合超導(dǎo)能隙來抑制超導(dǎo)性。當(dāng)磁場(chǎng)指向特定方向時(shí)，自旋軌道相互作用抵消了這種抑制。因此，在他們的電子傳輸實(shí)驗(yàn)中，研究人員需要更強(qiáng)的磁場(chǎng)來彌補(bǔ)這一差距。

通過進(jìn)行理論計(jì)算并將它們與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，Bommer和他的同事可以估計(jì)自旋 - 軌道相互作用的強(qiáng)度。這個(gè)非常重要的參數(shù)以前在拓?fù)淞孔佑?jì)算應(yīng)用系統(tǒng)中是未知的。

“我們的觀察結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn) - 軌道相互作用是創(chuàng)建Majorana模式的基本要素之一，它存在于系統(tǒng)中，因此支持先前已觀察到的Majorana模式的特征，”Bommer解釋說。“此外，觀測(cè)到的自旋軌道相互作用保護(hù)超導(dǎo)性的物理學(xué)正是最終導(dǎo)致拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)預(yù)期的噪聲彈性(即拓?fù)浔Ｗo(hù))的物理學(xué)。”

Bommer及其同事進(jìn)行的這項(xiàng)研究表明，超導(dǎo)和自旋軌道相互作用可以同時(shí)存在，揭示了自旋軌道相互作用保護(hù)Majorana納米線超導(dǎo)性的機(jī)制。他們的觀察表明，這種材料系統(tǒng)的更先進(jìn)的實(shí)現(xiàn)也應(yīng)該受益于量子信息的自旋軌道保護(hù)，并且估計(jì)的自旋軌道強(qiáng)度為量子計(jì)算電路的設(shè)計(jì)提供了重要的輸入。

研究人員正在計(jì)劃進(jìn)一步研究，旨在使用改進(jìn)的材料系統(tǒng)為Majorana零模式尋找新的實(shí)驗(yàn)特征。例如，他們已經(jīng)將NbTiN超導(dǎo)體改為薄鋁層，這提供了更好的超導(dǎo)性。

“我們也在尋找同時(shí)觀察電線兩端的Majorana粒子，這是一個(gè)強(qiáng)烈的論據(jù)，聲稱觀察真正的Majorana模式，”Bommer說。“我們正在努力的這些改進(jìn)也需要實(shí)現(xiàn)我們創(chuàng)造一個(gè)使用Majorana粒子作為構(gòu)建塊的量子計(jì)算機(jī)的雄心。這些近期的實(shí)驗(yàn)不僅將作為拓?fù)淞孔游坏闹虚g步驟，而且還將顯示Majorana物理學(xué)。一個(gè)更基本的方面。“