Mögulegur grundvöllur skammtareikninga: Majorana núllhættir í rörlaga nanóvírum - verkefni lokið
Fréttatilkynning verkefnisstjóra
Verkefnið fólst í að kanna myndun og stöðugleika margra Majorana núllhátta (e. zero modes) í ofurleiðandi kjarna-skeljar nanóvírum, sem nýlega hefur tekist að framleiða. Majorana núllhættir er áhugavert ástand sem getur komið fram við sértækar aðstæður í skammtakerfum og hefur eiginleika sem gerir þeim kleift að mynda grundvöll fyrir gallaþolnar skammtatölvur.
Sýnt var fram á hvernig kjarna-skeljar nanóvírar með ólíka lögum kjarna og skeljar geta aukið stöðugleika Majorana núllhátta, sem er ákjósanlegt fyrir tilraunir. Einnig var sýnt fram á hvernig rúmfræði nanóvíra hefur áhrif á önnur undirstöðuatriði sem myndun Majorana núllhátta byggir á. Niðurstöðurnar sýna hvernig kjarna-skeljar nanóvírar mynda fýsileg kerfi fyrir myndun og stjórnun margs Majorana ástands.
Verkefnið heldur áfram með samstarfi við tilraunahópa erlendis. Gaumgæfa þarf samspil milli lykilþátta í hermunum og tilraunum en þar eru ólíkar áskoranir sem erfitt, en nauðsynlegt, er að samþætta. Í stærra samhengi er rannsóknin skref í langri vegferð að skammtatölvum, sem munu gefa stóraukna reiknigetu í leitarreikniritum, gervigreind og fleiru. Stærstu tæknifyrirtækin eru um þessar mundir að keppast að framleiðslu skammtatölva. Microsoft hefur nýverið lagt mikið í nanóvírakerfi fyrir Majorana núllhætti, þeirra vinna er bæði áhugaverð og umdeild, áhugsamir geta kynnt sér Azure Quantum verkefnið. Myndun Majorana núllhátta í skammtakerfum er einnig partur af stærri byltingu sem er að eiga sér stað í þéttefnisfræði en hún byggir á grannfræðilegum (e. topological) efnisfösum. Með tilkomu háþróaðs tæknibúnaðar hefur geta mannkynsins til að framleiða flókin kerfi á smáum skala stóraukist og eru eðlisfræðingar um þessar mundir að uppgötva fjölmarga nýja efniseiginleika en einnig að sjá í ríkum mæli hvernig ýmis fyrirbæri eiga sér hliðstæðu í þéttefniskerfum. Þetta mun án efa leiða af sér fjölbreyttar tækninýjungar á næstu árum. Þar sem eðlisfræði fjallar um grundvallareiginleika náttúrunnar felur hún í sér gríðarlega hagnýtingar- og nýsköpunarmöguleika, en verkleg útfærsla tekur gjarnan töluverðan tíma. Nýjar lausnir á orkuvanda okkar aldar krefjast nýrrar eðlisfræði og líklegt er að áframhaldandi samþætting öreindafræði og þéttefnisfræði muni leiða af sér slíkar lausnir.
English:
The project explored the formation and stability of multiple Majorana zero modes in superconducting nanowires, the fabrication of which has recently been made possible. Majorana zero modes are interesting states formed under specific circumstances in quantum systems, that have the possibility of forming a basis for fault-tolerant quantum computers. Using numerical simulations, wires with differing core and shell geometry were shown to increase the stability of Majorana zero modes, which is feasible for their experimental realization. Furthermore, effects of the nanowire cross-section geometry on other fundamental elements that the formation of Majorana zero modes rests on, were quantified. The results show how core-shell nanowires form workable systems for the hosting and manipulation of multiple Majorana zero modes.
The project continues in collaboration with experimentalist abroad. Key specifics of experiments and simulations have to be further identified, as different challenges exists in both aspects that need to be harmonized. In a larger perspective, the projects is a step in a long journey towards quantum computers, that will allow for significant speedup in search algorithms, artificial intelligence and more. Giants of the tech industry and currently competing in the fabrication of quantum computers. Microsoft has recently funded and executed a large amount of work in nanowire systems for Majorana zero modes, their work is both interesting and controversial, the interested reader can refer to their Azure Quantum project. The formation of Majorana zero modes in quantum systems is also a part of a larger revolution in condensed matter physics, based on topological phases of matter. With the advent of advanced fabrication techniques at the nanoscale, mankind's capability to create complex systems at the nanoscale has greatly improved and physicist are currently discovering multiple new properties of matter as well as finding condensed matter analogies to a variety of physical phenomena. Diverse technologies are sure to come forth from these considerations. As physics deal with the basics and fundamentals of nature, practical realization can take some time. New solutions to the energy problem of the current century require new physics and it is highly likely that the continuing convergence of particle physics and condensed matter physics will lead to such solutions.
∙ A list of the project’s outputs
1. Computer codes for numerical simulations of Majorana Zero Modes in core-shell nanowires with
varying core-shell geometry and uniformity of proximitization.
2. Four peer-reviewed papers in high-impact journals.
3. Book chapter on superconductivity theory.
4. PhD thesis on Majorana Zero Modes in tubular nanowires
Heiti verkefnis: Mögulegur
grundvöllur skammtareikninga: Majorana núllhættir í rörlaga nanóvírum / A
possible basis for quantum computation: Majorana zero modes in tubular
nanowires
Verkefnisstjóri: Kristján Óttar Klausen, Háskólanum í Reykjavík
Tegund styrks: Doktorsnemastyrkur
Styrktímabil: 2020-2021
Fjárhæð styrks kr. 13.250.000
Tilvísunarnúmer Rannís: 206568
