In 2012 hield fysicus Leo Kouwenhoven van het Delftse QuTech-instituut nog ‘een slag om de arm’. Maar nu is de onderzoeksgroep onder leiding van Kouwenhoven er klaar voor: ze kunnen gaan bewijzen of het majoranadeeltje echt bestaat. De eerste resultaten zien er goed uit, maar de laatste stap moet nog worden gezet.
Wetenschappers doen al jarenlang onderzoek naar majoranadeeltjes. Het zouden namelijk belangrijke bouwstenen kunnen zijn voor de langverwachte quantumcomputer.
‘Ik probeer robots te ontwikkelen die ook echt een nieuwe stap maken’
Hoe werkt vliegen? Dat lijkt een simpele vraag, maar voor luchtvaarttechnicus en bioloog David Lentink is het een levenslange zoektocht.
Met majorana’s kunnen mogelijk stabiele qubits gemaakt worden. Qubits zijn de informatiedragers van de quantumcomputer. In tegenstelling tot gewone bits kunnen ze tegelijkertijd één en nul zijn. Hierdoor kunnen quantumcomputers bepaalde berekeningen veel sneller uitvoeren dan gewone computers.
Er bestaan al kleine quantumcomputers die uit enkele qubits bestaan. De grote uitdaging is om deze systemen op te schalen. ‘Qubits zijn gevoelig voor invloeden van buitenaf’, zegt Hao Zhang van QuTech. ‘Door een kleine verandering in het elektrische of magnetische veld kunnen ze kapot gaan.’ Daarom wordt er gezocht naar stabiele qubits, zoals majorana’s.
Quasideeltjes
De majoranadeeltjes die mogelijk in 2012 voor het eerst in Delft gezien werden, zijn geen losse deeltjes die bijvoorbeeld in de deeltjesversneller in CERN gemaakt kunnen worden. Het zijn zogeheten quasideeltjes, ‘gebouwd’ uit verschillende onderdelen in een lab. Quasideeltjes bestaan alleen in een materiaal. Het deeltje verschijnt door het collectieve gedrag van dat materiaal, vergelijkbaar met hoe een golf ontstaat in het water.
De onderzoekers van QuTech maken hun deeltjes met halfgeleidende draadjes van een paar nanometer dik. Deze draadjes bedekken ze met een supergeleidend materiaal. Door vervolgens een magnetisch veld aan te brengen, zouden er aan de uiteinden van de nanodraadjes majoranadeeltjes kunnen ontstaan.
Verbeterde materialen
In 2012 lukt het onderzoekers van QuTech, onder leiding van Kouwenhoven, voor het eerst om op deze manier deeltjes te maken die zich gedroegen als majoranadeeltjes. Maar de metingen waren niet goed genoeg om definitief bewijs te leveren. ‘Er waren ook andere verklaring voor de resultaten uit 2012 waar geen majorana’s aan te pas kwamen. Het was lastig om die verklaringen uit te sluiten’, zegt Zhang.
De afgelopen jaren hebben de onderzoekers hard gewerkt om de metingen beter te maken. Ze verbeterde de materialen en ontwikkelden een quantumchip met meerdere superdunne nanodraden. Dankzij de verbeterde chip kan nu, zes jaar na de eerste ontdekking, met redelijk grote zekerheid gezegd worden dat het majorana-quasideeltje bestaat. Volgens de onderzoekers gedragen de deeltjes in het experiment zich zoals de theorie voorspelt. Maar het is nog te vroeg om de champagne te ontkurken.
Vlechten
De laatste stap die nu nog gezet moet worden, is het vervlechten van majorana’s. Pas als experimenteel aangetoond is dat de deeltjes gevlochten kunnen worden, is de ontdekking definitief.
Twee majoranadeeltjes raken vervlochten in een soort quantumknoop als ze een paar keer van plaats gewisseld zijn. Door die knoop worden ze stabieler en hebben ze minder last van veranderingen in de omgeving. En dat is precies wat ze zo geschikt maakt om dienst te doen als qubits in een toekomstige quantumcomputer.
Dat vlechten kan niet als twee majorana’s in één nanodraadje zitten. Twee kralen aan een draad kunnen ook niet door elkaar heen bewegen zonder de andere te vernietigen.
‘Dankzij de nieuw ontwikkelde materialen en structuur kunnen we binnenkort majoranadeeltjes vlechten’, zegt Zhang. ‘We hebben aangetoond dat dit mogelijk is en we zijn er klaar voor om dit komend een à twee jaar te gaan testen. De stap die daarna volgt, is het bouwen van een majorana-qubit.’
Update (mei 2020): op 29 april 2020 publiceerde Nature een editorial expression of concern over het in dit bericht besproken artikel. Hierin is te lezen dat Kouwenhoven en zijn team mogelijke problemen op het spoor zijn gekomen met betrekking tot de manier waarop de ruwe data in 2018 is geanalyseerd. ‘Dit kan invloed hebben op de conclusies die hier op een betrouwbare manier uit te trekken zijn’, schrijven de onderzoekers. Wat precies het probleem is en wat dit voor gevolgen heeft voor het bovenstaande bericht, is nog niet bekend. Hierover later meer op deze site.
Mis niet langer het laatste wetenschapsnieuws en meld je nu gratis aan voor de nieuwsbrief van New Scientist.
Lees verder: