インサイダーブリーフ：
- Qutechが率いる国際的な研究者のチームは、ハイブリッドINSB/AL Nanowireで量子ドットを使用して3サイトのキタエフチェーンを作成し、以前の2サイトデザインを拡張しました。
- 彼らは、3番目のサイトを追加すると、局所的な摂動に対する敏感になることにより、ゼロエネルギーマヨラナモードの安定性が向上することを観察しました。
- このデバイスは、超伝導位相の違いを制御できないにもかかわらず、電子ホッピングとクーパーペアの分割のバランスをとることにより、キタエフモデルを模倣します。
- この結果は、さらなるスケーリングがトポロジー保護とミリ秒スケールのコヒーレンス時間につながり、マヨラナベースのキュービットの実現可能性を進める可能性があることを示唆しています。
- 画像クレジット：図5、Bordin et。 al。、Nature Nanotechnology、2025
マヨルナスは、大部分があいまいで、ほとんどが凝縮された物質理論のページに限定されており、マイクロソフトからの最近の発表に続いて新たな可視性を獲得しています。マヨラナ州に拠点を置く量子コンピューティングへの同社の公共投資は、トポロジースーパーコンダクタとホストするとらえどころのないゼロモードが、過失耐性の約束を果たすことができるかどうかについて、議論を再現しました。
トポロジカル量子コンピューティングは、1Dトポロジースーパーコンダクターのエッジで発生する可能性のあるマヨラナゼロモードの非アベル統計を活用することを目的としています。編組の場合、これらのモードは量子情報を非誤ってエンコードします。これは、理論的には、物理デバイスで実現された場合、環境障害から本質的に保護されている量子操作を実行するために使用できることを意味します。しかし、実験的な実現は、実験プラットフォームの脆弱性と短い一貫性の時間によって抑制されています。
さらに、これらのアイデアを実際のハードウェアに変換することは、挑戦的であることが証明されています。 MZMを実現するための最も単純な青写真の1つは、キタエフチェーンです。ホッピングと超伝導ペアリングの両方のペアリング相互作用の両方を介して結合されたスピンレスフェルミオンの1次元チェーンです。実際には、研究者は、電子を捕まえる小さな制御可能な領域である量子ドットを使用してこのチェーンを近似しています。わずか2つのドットと単一の超伝導セグメントを備えた最小限のバージョンは、以前に低エネルギーのマヨラナ様状態をホストすることが示されていました。ただし、これらは壊れやすく、ゲートの電圧や結合強度の小さな変動の影響を受けやすいものでした。
現在、Qutech、Quantum Machines、アインドホーヴェン工科大学、オックスフォード大学の研究者チームは、アンチモニドとアルミニウムのインジウムナノワイヤに埋め込まれた量子ドットを使用して、3サイトのキタエフチェーンの成功した実現を報告しています。として Nature Nanotechnologyで報告されています、チェーンにもう1つのサイトを追加することにより、チームはシステムのゼロエネルギーモードの安定性を改善することができました。研究者によると、この2つのサイトから3つのサイトへの移行は、一貫性を改善するだけでなく、将来のトポロジカルキビのためにスケーラブルで堅牢な量子ドットベースのプラットフォームを作成するためにも使用できます。
最小限のチェーンから安定性の向上まで
以前の研究では、Qutechグループは、超伝導セグメントによってリンクされた2つの量子ドットで作られた2サイトのキタエフチェーンを開発しました。このセットアップは、キタエフモデルの最小限の理論的条件、つまりサイト間のバランスの取れた電子ホッピングと超伝導ペアリングを満たしました。これらの条件下では、システムは低エネルギーのマヨラナ様状態を示しました。しかし、これらのモードは、ゲートの電圧または結合強度のバリエーションに非常に敏感でした。「貧しい人間のマジョルナ」というニックネームを獲得して、デコヒーランスに対する保護の欠如は、 新しい研究に伴うニュースリリース。
現在の作業では、チームは3番目の量子ドットを追加して3サイトチェーンを作成し、同じ物理デバイスを使用して2つの構成間のゼロエネルギーモードの安定性を比較しました。共鳴のオンとオフの中央のドットを調整することにより、彼らは効果的に2位と3位を切り替えることができました。 3サイト構成では、マヨラナゼロモードの署名であるゼロバイアスコンダクタンスピークは、著しく安定していました。量子ドットの1つまたは2つが排除されたとしても、ピークは持続しました。ゼロモードの完全な分割は、3つのサイトすべてが共鳴オフオーストランスをプッシュしたときにのみ発生しました。それでも、分割動作は2サイトバージョンよりも緩やかで敏感ではありませんでした。
これは、チェーンの長さを増やすと、端部のマヨラナ波動関数間の重複が抑制され、システムが摂動により回復力が向上することを示唆しています。安定性の改善は、これらのシステムでエネルギー分割がどのように機能するかに関連しています。 2サイトチェーンは摂動に関して線形分割を示しますが、3サイトチェーンはこの応答を高次にシフトし、ゼロモードを不安定にするためにより強力またはより複雑な妨害を必要とします。
チェーンの構築
デバイスを作成するために、チームはハイブリッドINSB/ALナノワイヤを使用しました。インディウムアンチモニドは半導体バックボーンで、アルミニウムは超伝導層を提供します。量子ドットは、静電ゲートを使用してワイヤに沿って定義され、研究者は各サイトでの局所電位を制御し、高精度で結合することができました。結果の構造は、超伝導領域を介して接続された3つの量子ドットで構成され、キタエフチェーンの小さな調整可能なバージョンを効果的に形成します。
必要な物理学をシミュレートするために、2つの重要なプロセスのバランスが取れています。これにより、電子が隣接するドットの間で電子がホップできるようになり、アンドリーエフ反射が交差します。そこでは、超伝導体からのクーパーペアが分割され、1つの電子が隣接するドットが1つ入ります。一緒に、これらのメカニズムは、キタエフモデルに必要なP波の超伝導性を効果的に模倣します。
このシステムには、セグメント間の超伝導位相差を完全に制御できませんが、チェーンが長くなるにつれて重要になる要因は、位相変動を取り入れたシミュレーションが実験データと一致しています。これは、少なくとも測定タイムスケールで、位相の変動は平均して、デバイスの動作に大きく影響しないことを示しています。
トポロジー保護に向けて
3サイトのキタエフチェーンはまだトポロジースーパーコンダクタとしての資格を持っていませんが、それはしっかりした中間のステップである可能性があります。モードの安定性の改善は、以前の2サイト構成と比較して、潜在的なコヒーレンス時間の顕著な改善をマイクロ秒スケールまで既に改善しています。
今後、チームは、チェーンをさらに拡大することでこの傾向を継続できることを示唆しています。シミュレーションでは、5つまたは6つのサイトのチェーンが、マヨラナモードのオーバーラップを抑制するのに十分であり、キッツがミリ秒の順序で一貫性の時間に達する可能性があり、実際の量子計算に必要なしきい値に近づくことを示しています。
論文で述べたように、2つのサイトと3つのサイトの質的な違いは、量子ハードウェア設計の重要な教訓を例示しています。このスケーリングの動作が成り立つ場合、量子ドットベースのキタエフチェーンは、エキゾチックな材料や複雑な製造技術を必要とせずに、スケーラブルなトポロジカルなキュービットに近づくことができます。
この研究に貢献しているのは、アルベルト・ボーディン、トム・ドヴィル、フランチェスコ・ザテッリ、墓とハフ、デビッド・ヴァン、グアンゾン・ワン、ニック・ヴァン、ヤイン・ザン、ヤン・コーネリス・ウルフ・パム・バッカー、マイケル・ウィマー、レオ・P・コウエンホン、グレストルス・P・マズル。
