Ultradünne Nanodrähte könnten ein Segen für fehlerresistentes Quantencomputing sein

Forscher haben ultradünne Halbleiter-Supraleiter-Hybrid-Nanodrähte mit einem Durchmesser von weniger als 20 nm hergestellt. Solche Drähte sind dünner als die zuvor gezüchteten und werden voraussichtlich Phänomene beherbergen, die als Majorana-Nullmoden bekannt sind – der Kernbestandteil sogenannter topologischer Quantenbits (Qubits), die die Grundlage für einen stabilen und fehlerresistenten Quantencomputer bilden könnten.

Ursprünglich waren Majorana-Nullmoden (MZMs) einfach eine mathematische Konstruktion, die es ermöglichte, ein Elektron theoretisch als aus zwei Hälften bestehend zu beschreiben. Aus Sicht der Quantencomputer sind sie attraktiv, denn wenn ein Elektron in zwei Teile „geteilt“ werden kann, wird die darin codierte Quanteninformation vor lokalen Störungen geschützt, solange die „Halbelektronen“ weit voneinander entfernt gespeichert werden können. Der Theorie zufolge sollten diese Einheiten in einem Aufbau erscheinen, der aus einem halbleitenden Nanodraht besteht, der in eine Hülle aus einem supraleitenden Material gewickelt und in ein Magnetfeld gebracht wird.

Theoretisch ist die einfachste Art von Nanodraht, in der MZMs vorkommen sollten, ein eindimensionales Elektronensystem – also eines, in dem Elektronen ein einzelnes elektronisches Teilband im Halbleiter besetzen. In Experimenten sind jedoch mehrere Teilbänder besetzt.

Durchmesser von weniger als 20 nm

In einer neuen Studie führten Forscher durch Jianhua Zhao und Dong Pan der State Key Laboratory of Superlattices and Microstructures, Institut für Halbleiter, Chinesische Akademie der Wissenschaften, wuchsen ultradünne Nanodrähte des Halbleiters Indiumarsenid (InAs), die mit einem bedeckt waren in situ epitaxialer supraleitender Aluminiumfilm (Al) unter Verwendung einer Technik namens Molekularstrahlepitaxie (MBE). Sie verwendeten einen Silber(Ag)-Katalysator, um die Drähte wachsen zu lassen – eine Technik, die routinemäßig bei dieser Art von Experimenten eingesetzt wird. Die neuen Nanodrähte haben einen Durchmesser von weniger als 20 nm, was fünfmal kleiner ist als Halbleiter-Nanodrähte, die zuvor mit diesem Ansatz gezüchtet wurden.

Der Durchmesser der Drähte hängt vom Durchmesser des Ag-Katalysators ab, und Zhao erklärt, dass mit dem MBE-System des Teams sehr kleine Ag-Katalysatoren (im Bereich von 5 bis 40 nm) hergestellt werden können. Die Kristallqualität der Drähte hängt auch von ihrem Durchmesser ab und die in der neuen Studie gezüchteten Drähte sind von hoher Qualität.

Neuer Weg für zukünftige MZM-Suchen

„In Kombination mit Al-Supraleiterfilmen bieten diese ultradünnen Drähte eine Möglichkeit, das Regime mit weniger Teilbändern (und letztendlich das Regime mit einem Teilband) zu erreichen“, Hao Zhang of Tsinghua University, der in der Arbeit die Elektronentransportmessungen leitete, erzählt Physik-Welt. „Diese Drähte eröffnen daher einen neuen Weg, um weniger Teilbandregime für zukünftige MZM-Suchen zu erkunden.“

Dank grundlegender Messungen der Transportcharakteristik haben die Forscher bereits zwei Phänomene in ihrem System entdeckt: eine „harte“ supraleitende Lücke in tunnelspektroskopischen Messungen; und eine „paritätserhaltende Coulomb-Blockade“ in sogenannten Hybrid-Insel-Geräten. Beide Phänomene seien entscheidende Zutaten für zukünftige Majorana-Suchen, erklärt Zhang.

Das Team sagt, dass es nun nach stärkeren Beweisen für MZM sucht, indem es die Quantentransporteigenschaften seiner ultradünnen InAs-Al-Nanodrahtstrukturen misst.

Die Arbeit ist detailliert in Chinesische Physikbriefe.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/ultrathin-nanowires-could-be-a-boon-for-error-resistent-quantum-computing/