Deney, potansiyel olarak hataya daha dayanıklı kuantum hesaplamanın teorik temelini destekliyor

Kuantum hesaplamada bilgi depolamayı hatalara daha az eğilimli hale getirmeye yönelik bir yaklaşım, topolojik kuantum hesaplama olarak bilinir. Yerel bozulmalara karşı daha dirençli olması beklenen özel kuantum durumlarına dayanır.

Köln Üniversitesi’ndeki fizikçiler artık bu yaklaşım için ümit verici görülen bir malzeme sisteminde tahmin edildiği gibi davranan kuantum durumlarını gözlemlediler.

Bulguları, “Topolojik yalıtkan Josephson bağlantılarının tünel açma spektroskopisi” başlığı altında yayınlandı. Bilim Gelişmelerisüperiletkenliğin bir topolojik yalıtkanın yüzeyi ile nasıl etkileşime girdiğine dair teorik bir açıklamayı destekler.

Yüzeyde süperiletkenliğin araştırılması

Topolojik yalıtkanlar elektriği içlerinde iletmeyen ancak yüzeyleri boyunca ileten malzemelerdir. Geleneksel bir süperiletken ile birleştirildiğinde, yüzey durumlarının topolojik süperiletkenlik olarak bilinen özel bir süperiletkenlik biçimini destekleyeceği tahmin edilmektedir. Eğer gerçekleşirse bu, Majorana sıfır modlarına bir yol sağlayabilir; kuantum durumları, topolojik kuantum bitleri veya kübitlerdeki potansiyel kullanımları açısından araştırılmaktadır. Bu durumları deneysel olarak göstermek ve kontrol etmek hala bir zorluktur.

Tahmin edilen davranışı araştırmak için Dr. Jakob Schluck, Ella Nikodem (Yüksek Lisans) ve profesör Yoichi Ando liderliğindeki Köln Topolojik Madde Laboratuvarı’ndaki meslektaşları, Josephson kavşağı adı verilen bir yapı üzerinde çalıştı. Süper iletken olmayan bir bölgeyle birbirine bağlanan iki süper iletkenden oluşur. Araştırmacılar, tünelleme spektroskopisini kullanarak iki süperiletken arasındaki faz farkını değiştirirken bağlantı noktası içindeki kuantum durumlarını araştırdılar.

Gözlemlenen durumlar teorik tahminlerle eşleşiyor

Ekip, elektronlar ve delikler süperiletken bir bağlantı noktasında etkileşime girdiğinde oluşan yüksek derecede geçirgen Andreev durumlarını gözlemledi. Durumlar, topolojik yalıtkanın yüzeyindeki elektronların tahmin edilen davranışıyla tutarlı olarak, bir dizi yük taşıyıcı yoğunluğunda ortaya çıktı. Araştırmacılar manyetik alan uyguladığında, teorinin öngördüğü gibi bu durumların kavşağın belirli bölgelerinde yoğunlaştığını da buldular.

Ando, ​​”Süper iletkenliğin topolojik yalıtkanların ayırt edici elektronik özellikleriyle nasıl etkileşime girdiğini anlamak, topolojik kuantum hesaplama potansiyellerini değerlendirmek için çok önemlidir” diyor.

Deneysel sonuçlar, Liang Fu ve Charles Kane tarafından 2008’de önerilen modele dayanan teorik tahminlerin yanı sıra RWTH Aachen Üniversitesi’nden profesör Fabian Hassler grubu tarafından gerçekleştirilen sayısal simülasyonlarla da uyumludur.

Nikodem, “Deneysel sonuçlarımızın teorik tahminlerle bu kadar iyi uyum sağladığını görmek son derece heyecan verici. Bu, kuantum hesaplamanın gelecekteki uygulamaları açısından çok cesaret verici” diye ekliyor.

Topolojik geçiş henüz doğrulanmadı

Önemli bir soru açık kalıyor: Gözlemlenen durumlar, tahmin edilen bir enerji açığının kapanması ve yeniden açılmasından geçiyor mu? Böyle bir değişiklik, belirli kuantum durumlarının yerel bozulmalara karşı korunabileceği topolojik süperiletkenliğe geçişin sinyali olabilir. Bu koruma, topolojik kuantum hesaplamanın daha sağlam kuantum bitlerine doğru umut verici bir yol olarak görülmesinin nedenlerinden biridir.

Mevcut deneyde geçişin daha kesin ölçümlerle doğrulanması gerekiyor. Schluck, “Bu sistemdeki topolojik faz geçişini göstermek için deneyin enerjisini ve zaman çözünürlüğünü iyileştirmemiz gerekiyor; bu, Ando laboratuvarının yol haritasındaki bir sonraki adımdır” diye açıklıyor.