Международная исследовательская группа под руководством Лео Коувенховена и Гжегожа Мазура из QuTech успешно создала трехзвенную цепь Китаева. Ключевым результатом, опубликованным в Nature Nanotechnology, стала демонстрация повышенной стабильности мод нулевой энергии в этой системе по сравнению с ранее созданными двухзвенными цепями, что доказывает масштабируемость квантово-точечных цепей Китаева.
В основе этой работы лежит концепция майорановских нулевых мод (МНМ). Эти квазичастицы, предсказанные на краях топологических сверхпроводников, обладают уникальным свойством – неабелевой статистикой обмена. Именно это свойство делает их ключевым элементом для топологических квантовых вычислений, обещая создание кубитов, устойчивых к декогеренции, и высокоточных квантовых вентилей.
Теоретическую основу для создания таких систем дает модель Китаева. Она описывает одномерный топологический сверхпроводник как цепочку безспиновых фермионов, связанных p-волновой сверхпроводимостью и электронными перескоками. Важно, что система становится топологической и способной поддерживать МНМ на концах только при достаточной длине цепи.
Экспериментальное устройство, реализующее трехзвенную цепь Китаева, было построено на основе гибридного нанопровода InSb/Al. Оно состоит из трех полупроводниковых квантовых точек (изготовленных из антимонида индия, InSb), соединенных сверхпроводящими сегментами (из алюминия, Al). Материалы для нанопроводов были предоставлены группой Эрика Баккерса из Технического университета Эйндховена. Управление устройством осуществляется с помощью одиннадцати затворов. Критически важно, что исследователи смогли сравнить поведение двухзвенных и трехзвенных цепей в рамках одного и того же физического устройства.
Главный вывод эксперимента заключается в том, что удлинение цепи с двух до трех звеньев значительно повышает стабильность мод нулевой энергии. Предыдущая работа команды QuTech уже демонстрировала создание минимальной двухзвенной цепи Китаева, которая могла поддерживать пару МНМ, но их стабильность была низкой (так называемые «майораны для бедных»), и они не обладали топологической защитой.
Преимущество трехзвенной цепи очевидно: наблюдаемые МНМ гораздо более стабильны. Это подтверждает, что увеличение длины цепи является эффективной стратегией для создания технологически применимых систем. Измерения показали устойчивость характеристик устройства к внешним возмущениям, что является важным шагом к практическому использованию.
Высокая воспроизводимость результатов была подтверждена созданием нескольких рабочих устройств после нескольких итераций в чистой комнате. Измерения, проведенные на разных образцах первыми авторами работы Альберто Бордином и Чунь-Сяо Лю из QuTech, показали практически идентичные энергетические спектры.
Создание трехзвенной цепи стало результатом трехлетней работы в QuTech. Оно основывается на предыдущих достижениях: создании элементарной ячейки из двух квантовых точек, связанных сверхпроводящим спариванием (где наблюдались МНМ, но система не была топологической), демонстрации расщепления триплетных куперовских пар (ключевого ингредиента для гамильтониана Китаева), а также разработке методов фабрикации и настройки двухзвенной цепи Китаева. Нынешняя работа объединила эти наработки с повышенной точностью контроля параметров.
Следующим шагом исследователи планируют провести эксперименты в области квантовой информации с использованием созданного устройства. Цель – изучить поведение цепей Китаева в качестве кубита и выяснить, как длина цепи влияет на время жизни квантового состояния. Существует гипотеза, что кубиты на основе трехзвенных цепей будут менее подвержены шуму от управляющих затворов благодаря повышенной стабильности МНМ.
Долгосрочная цель – создание еще более длинных цепей Китаева. Теоретические предсказания указывают, что цепи из 5 или 6 звеньев могут быть достаточными для достижения истинной топологической защиты и превосходства над другими подходами к созданию кубитов. Для настройки таких сложных систем потенциально может быть использовано машинное обучение. Конечная цель – разработка практической технологии для топологических квантовых вычислений.
Лео Коувенховен также упомянул, что в ближайшие несколько недель ожидается публикация новых результатов, касающихся трехзвенных цепей Китаева, сопряженных с дополнительной квантовой точкой, что открывает дальнейшие перспективы для исследований.
Изображение носит иллюстративный характер
В основе этой работы лежит концепция майорановских нулевых мод (МНМ). Эти квазичастицы, предсказанные на краях топологических сверхпроводников, обладают уникальным свойством – неабелевой статистикой обмена. Именно это свойство делает их ключевым элементом для топологических квантовых вычислений, обещая создание кубитов, устойчивых к декогеренции, и высокоточных квантовых вентилей.
Теоретическую основу для создания таких систем дает модель Китаева. Она описывает одномерный топологический сверхпроводник как цепочку безспиновых фермионов, связанных p-волновой сверхпроводимостью и электронными перескоками. Важно, что система становится топологической и способной поддерживать МНМ на концах только при достаточной длине цепи.
Экспериментальное устройство, реализующее трехзвенную цепь Китаева, было построено на основе гибридного нанопровода InSb/Al. Оно состоит из трех полупроводниковых квантовых точек (изготовленных из антимонида индия, InSb), соединенных сверхпроводящими сегментами (из алюминия, Al). Материалы для нанопроводов были предоставлены группой Эрика Баккерса из Технического университета Эйндховена. Управление устройством осуществляется с помощью одиннадцати затворов. Критически важно, что исследователи смогли сравнить поведение двухзвенных и трехзвенных цепей в рамках одного и того же физического устройства.
Главный вывод эксперимента заключается в том, что удлинение цепи с двух до трех звеньев значительно повышает стабильность мод нулевой энергии. Предыдущая работа команды QuTech уже демонстрировала создание минимальной двухзвенной цепи Китаева, которая могла поддерживать пару МНМ, но их стабильность была низкой (так называемые «майораны для бедных»), и они не обладали топологической защитой.
Преимущество трехзвенной цепи очевидно: наблюдаемые МНМ гораздо более стабильны. Это подтверждает, что увеличение длины цепи является эффективной стратегией для создания технологически применимых систем. Измерения показали устойчивость характеристик устройства к внешним возмущениям, что является важным шагом к практическому использованию.
Высокая воспроизводимость результатов была подтверждена созданием нескольких рабочих устройств после нескольких итераций в чистой комнате. Измерения, проведенные на разных образцах первыми авторами работы Альберто Бордином и Чунь-Сяо Лю из QuTech, показали практически идентичные энергетические спектры.
Создание трехзвенной цепи стало результатом трехлетней работы в QuTech. Оно основывается на предыдущих достижениях: создании элементарной ячейки из двух квантовых точек, связанных сверхпроводящим спариванием (где наблюдались МНМ, но система не была топологической), демонстрации расщепления триплетных куперовских пар (ключевого ингредиента для гамильтониана Китаева), а также разработке методов фабрикации и настройки двухзвенной цепи Китаева. Нынешняя работа объединила эти наработки с повышенной точностью контроля параметров.
Следующим шагом исследователи планируют провести эксперименты в области квантовой информации с использованием созданного устройства. Цель – изучить поведение цепей Китаева в качестве кубита и выяснить, как длина цепи влияет на время жизни квантового состояния. Существует гипотеза, что кубиты на основе трехзвенных цепей будут менее подвержены шуму от управляющих затворов благодаря повышенной стабильности МНМ.
Долгосрочная цель – создание еще более длинных цепей Китаева. Теоретические предсказания указывают, что цепи из 5 или 6 звеньев могут быть достаточными для достижения истинной топологической защиты и превосходства над другими подходами к созданию кубитов. Для настройки таких сложных систем потенциально может быть использовано машинное обучение. Конечная цель – разработка практической технологии для топологических квантовых вычислений.
Лео Коувенховен также упомянул, что в ближайшие несколько недель ожидается публикация новых результатов, касающихся трехзвенных цепей Китаева, сопряженных с дополнительной квантовой точкой, что открывает дальнейшие перспективы для исследований.
