Majorana导线中光子辅助隧穿特征的观察

哥本哈根大学的研究人员和哥本哈根的微软量子实验室最近进行了一项研究，研究马约拉那零模式，零能量准粒子态的潜力，这种态可以在超导混合纳米线中找到，以此来保护量子数据。他们的论文发表在《自然物理学》上，概述了在马约拉纳纳米线中光子辅助隧穿签名的观察，提供了有趣的新见解，可以为更好地理解这些准粒子状态铺平道路。

论文的合著者Charles Marcus教授通过电子邮件告诉Phys.org：“我们的长期目标是为量子计算应用开发保护和控制量子信息的方法。”“一个有趣的提议是使用Majorana零模式在物理级别提供保护，而不是在电路级别使用冗余和纠错来提供保护。”

在物理层面上，马约拉纳零模式会掩盖特定信息，更确切地说，是在给定的拓扑超导体内是否存在非局部电子或不存在过量电子。不能使用用于收集本地测量值的工具来公开此信息。

从理论上讲，使用Majorana零模式来保护量子数据应该非常简单和直接。然而，到目前为止，这已经证明是很难实现的，因为它需要大量的努力，包括开发读出零能量状态的方法以及首先可以达到这些状态的混合材料的设计。

“我们在2016年撰写的一篇理论论文中提出了实现此概念的许多具体的早期步骤，但要使我们提议的系统的子组件正常工作也具有挑战性，”马库斯说。“关键组件是拓扑超导结，在该拓扑结中可以使用电脉冲来耦合和解耦Majorana模。我们最近的实验旨在测试一个特定组件：可以控制跨结的Majorana模耦合的位置。”

光子辅助隧穿是一种技术，可用于使用能量匹配差异的光子来“连接”总能量不相等的量子态。在该实验中，量子态的总能量取决于在离散零能态下过量电子的存在。

这种作用最终使研究人员能够发现平均电荷占用的差异。由于光子的频率是可以控制的能量，因此它们可以推断出量子态之间的能量差，并最终将其转换为耦合强度。

“在超导和自旋量子位设备的早期，光子辅助隧穿通常被用作一种绘制量子位态之间能量差的技术，”参与这项研究的另一位研究人员戴维·迈克尔·西奥多尔·范·赞登对Phys.org说。“最小能量差是由相干交换耦合的能量来定义的。基于这项较早的工作，我们开始使用光子辅助隧穿作为一种工具来识别和表征不同对的马里亚纳费米子之间的相干耦合。”

研究人员使用的方法非常简单。它需要测量承载马约拉纳零模的双岛结构的平均电荷占用，同时将微波音施加到主要耦合到该结构的一个岛的几乎金属结构上。

为了使他们的技术发挥作用，研究人员必须开发合适的拓扑超导双岛结构和RF SET电荷传感器，然后将其引入InAs / AI纳米线中，然后将其放置在可以施加微波的基板上。此外，他们必须仔细调整所有设备的旋钮，并确定一个扩展的范围，在该范围内满足马约拉纳零模的光子辅助隧穿所需的所有条件。

作者与Peter Krogstrup领导的专门从事量子材料研究的团队紧密合作。这一组科学家负责实验中使用的电线的生长。

最终，他们在实验中使用的材料和方法使研究人员能够在有限的磁场下观察光子辅助的隧穿信号，从而在两个岛中产生1e门的周期性。但是，在解释他们的发现时应该谨慎，因为他们的发现只是初步的结果。

范赞登说：“我们研究中最值得注意的方面在于，本文提出的不同测量和观察结果之间的内部一致性，以及我们相同研究领域中其他人的其他工作。”“我们的每一个测量值都独立地表明两个岛上零能量的离散状态的存在，这与马约拉那零模一致。内部一致性暗示我们的解释是正确的，但它证明了马约拉那耦合吗?不是。”

根据研究人员的说法，也可以以类似于马略拉纳零模的方式来构造以零能量出现的其他费米子态。因此，他们的结果以及其他团队过去收集的类似结果应被视为解释而非事实。

马库斯说：“哪种解释最合理尚有争议，这是由不同小组收集的各种结果推动的。”“我们显示的是，在高磁场下，导线中存在零能量状态的离散状态(恰好是马略拉半岛所在的位置)，并且通过调整结，我们可以耦合和解耦这些零能量模式，并测量它们的强度。耦合。”

总部位于哥本哈根的团队最近进行的研究提供了新的观察结果，这些观察结果可以添加到过去十年左右的时间里，由不同的研究团队收集的与马约拉纳线中零模相关的发现中。将来，他们的工作可以作为新研究的基础，以研究这些国家在增强量子技术安全性方面的潜力。

“在接下来的研究中，我们希望使用更易于使用的材料系统，”马库斯说。“我们使用的纳米线是一个很好的开始，但是手工放置单根线无法建立马里亚纳斯州的网络。材料是该领域取得进展的关键：新材料，更清洁的材料，易于使用的材料。 ”

除了使用不同的材料重复实验之外，研究人员还计划进行结合多结点系统的研究。实际上，过去的研究证据表明，具有多个结的系统可以创建更复杂和有趣的设备。

Marcus和van Zanten说：“我们现在还希望在系统开发中引入其他眼光，这将使我们能够迅速而自信地区分可以隐藏量子信息的零模式和不能隐藏量子信息的零模式。”“马约拉那零模式的编织是一个关键的证明，表明我们的零能态具有信息保护所需的关键特性，但是尚未完成测量。我们的实验引入了基本理论，但是现在材料科学家和实验主义者将必须进行测试。”

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