Bedje verder gespreid voor Majorana-qubit

Al jaren staat het exotische Majorana-deeltje in de belangstelling van natuurkundigen. Het is uniek omdat hij zijn eigen antideeltje vormt. En mogelijk nuttig omdat het in de toekomst namelijk kan dienen als geheugen- en rekeneenheid van een quantumcomputer, een zogenoemde qubit. Alleen dan moet de informatie die erin wordt gestopt ook weer uit te lezen zijn en dat lukte onderzoekers maar niet.

Volgens wetenschappers van de TU Delft biedt de supergeleider niobium-titanium-nitride die mogelijk wél. Ze onderzochten dit materiaal dat uiteindelijk als een plakje op een halfgeleidend nanodraadje moet komen te liggen en zo een Majorana-qubit huisvest. De Delftse wetenschappers publiceerden hierover in Nature Physics.

Het recept van halfgeleider in combinatie met een supergeleider is in feite dezelfde als waarmee in 2012 voor het eerst een Majorana-deeltje werd gevonden in het laboratorium van hoogleraar kwantumtransport Leo Kouwenhoven.

Even of oneven

Om te begrijpen wat de wetenschappers hebben gevonden, ontkomen we niet aan een klein lesje quantummechanica. De quantuminformatie die een Majorana-qubit bevat (in feite een grote set aan mogelijke toestanden van het deeltje), wordt als het ware ‘vermengd’ met het aantal elektronen in het stukje materiaal waarin het deeltje zit. Pas wanneer je weet hoeveel hoeveel elektronen er in de opstelling zitten, kun je de informatie fatsoenlijk uit de qubit halen.

“We hoeven niet precies te weten hoeveel elektronen erin zitten,” zegt David van Woerkom, eerste auteur van de publicatie. “Het gaat enkel om een even of oneven aantal. Dat wordt pariteit genoemd en is essentieel voor een werkende qubit.” Het bepalen van het even of oneven aantal elektron kan al, maar tot op heden juist in een materiaal waar een Majorana-deeltje niet in gedijt: aluminium. Andersom waren de materialen waar een Majorana-deeltje in kan bestaan ongeschikt voor een pariteitsmeting.

Van Woerkom zegt dat in het niobium-titanium-nitride een Majorana-deeltje kan bestaan én dat het mogelijk is de pariteit te bepalen. Dat laatste heeft hij nu in ieder geval laten zien. “In dit systeem hebben we nog geen Majorana’s gemaakt, dat is een volgende stap en vergt een uitgebreidere opstelling”, zegt hij. “Het ging ons in dit onderzoek eigenlijk alleen maar om het bepalen van de juiste materiaaleigenschappen.”

Stabiel

Bijna net zo belangrijk als het meten van de pariteit is de afscherming van het stukje materiaal waarin de qubit samen met de elektronen zit. Ga maar na: het weglekken of bijkomen van een elektron verandert de pariteit. En ook dat hebben de Delftenaren laten zien. “In dit materiaal kunnen we de pariteit tot 94 seconden behouden”, zegt Van Woerkom. “Dat is veel langer dan wat eerder in aluminium is gelukt, dan heb je het over 125 milliseconde.

Van Woerkom is erg blij met de ontdekking. “We doen naar heel verschillende aspecten van qubit onderzoek, maar de pariteitsmeting bleef altijd een kopzorg. We hadden echt iets anders nodig dan aluminium, en dat hebben we gevonden. Nu gaan we aan de slag met een opstelling waar ook echt een Majorana-deeltje in zit.