Onderzoekers bij Microsoft zeggen dat ze ongrijpbare quasideeltjes hebben gemaakt die Majorana nulmodes worden genoemd. Maar wetenschappers buiten het bedrijf zijn sceptisch.
Onderzoekers van Microsoft hebben de controversiële bewering gedaan dat ze bewijs hebben gezien van een ongrijpbaar deeltje dat enkele van de grootste problemen in quantumcomputers zou kunnen oplossen, maar sommige experts zetten vraagtekens bij de ontdekking.
Quantumcomputers verwerken informatie met behulp van quantumbits, of qubits, maar de huidige versies kunnen gevoelig zijn voor fouten.
‘Einstein liep als theoreticus vast op de nieuwe bevindingen’
Toen de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes iets geks ontdekte over supergeleiding, was dit onder veel fysici het gesprek van de dag. Maa ...
Quasideeltjes
‘Wat het veld nodig heeft is een nieuw soort qubit’, zegt theoretisch natuurkundige Chetan Nayak van Microsoft Quantum. Hij en collega’s zeggen dat ze een belangrijke stap hebben gezet in de richting van het bouwen van qubits uit quasideeltjes. Quasideeltjes zijn geen echte deeltjes maar een collectief verschijnsel dat kan ontstaan wanneer deeltjes zoals elektronen met elkaar in de pas lopen.
Hier worden de quasideeltjes Majorana nulmodes genoemd. Ze fungeren als hun eigen antideeltje, en hebben geen elektrische lading en ook geen eigen energie. Dat maakt ze ongevoelig voor verstoringen – ze zouden dus ongekend betrouwbare qubits kunnen vormen. Maar het maakt ze ook behoorlijk lastig te vinden.
De onderzoekers van Microsoft zeggen dat hun apparaten gedrag vertonen dat overeenkomt met Majorana nulmodes. De belangrijkste onderdelen van elk apparaat was een extreem dunne halfgeleidende draad en een stukje supergeleidend aluminium.
Onzuiverheden
Dit is niet de eerste keer dat Microsoft beweert Majorana nulmodes te hebben gevonden. Een artikel uit 2018 van een andere onderzoeksgroep van het bedrijf werd in 2021 teruggetrokken door het wetenschappelijke tijdschrift Nature nadat het niet standhield bij nader onderzoek. Destijds ontdekten Sergey Frolov van de Universiteit van Pittsburgh in Pennsylvania en zijn collega’s dat onzuiverheden de halfgeleiderdraad quantumeffecten konden produceren die je gemakkelijk kon aanzien voor Majorana nulmodes.
‘Om Majorana nulmodes te zien, moet de draad als een zeer lange, zeer gelijkmatige weg zonder hobbels zijn. Als er enige wanorde in de draad is, kunnen elektronen vast komen te zitten op deze onzuiverheden en quantumtoestanden aannemen die Majorana nulmodes nabootsen’, zegt Frolov.
In het nieuwe experiment gebruikte het team een complexere test die het topologische gap protocol wordt genoemd. Om voor de test te slagen, moet een apparaat aan beide uiteinden van de draad tegelijkertijd Majorana nulmodes vertonen. Daarnaast moet je aantonen dat de elektronen in de draad een bepaalde energie hebben waarbij een speciaal soort supergeleiding ontstaat. ‘In plaats van te zoeken naar één bepaalde eenvoudige signatuur van Majorana nulmodes, zochten we naar een mozaïek van signaturen’, zegt Nayak.
De onderzoekers testten dit protocol op honderden computersimulaties van apparaten, die rekening hielden met eventuele onzuiverheden in de draden, voordat ze het gebruikten op experimentele gegevens. Nayak zegt dat ze berekenden dat voor elk apparaat dat slaagt voor het topologische gap protocol, de waarschijnlijkheid dat er geen echte Majorana nulmodus in zat, minder dan 8 procent is.
Misleid
Niet alle Majorana-onderzoekers zijn overtuigd. Quantummechanicus Henry Legg van de Universiteit van Bazel in Zwitserland en zijn collega’s publiceerden onlangs een reeks berekeningen waaruit blijkt dat ook in deze test misleidende onzuiverheden in de draden kunnen verschijnen. ‘Het topologische gap protocol zoals het nu is geïmplementeerd is zeker niet vrij van mazen’, zegt hij.
Frolov zegt dat enkele details suggereren dat wat Majorana nulmodes lijken, het resultaat van wanorde zullen blijken te zijn als je het experiment herhaalt met nog gevoeligere metingen. Daarbij gaat het om details, zoals kleine verschillen tussen metingen aan de linker- en rechterkant van de draad en de metingen van de energieën van de elektrone: dezelfde energieën kunnen wijzen op opkomende Majorana nulpunten, of op vervuilingen die de elektronen insluiten.
Natuurkundige Anton Akhmerov van de TU Delft in Nederland zegt dat voor hem het nieuwe experiment geen sluitend bewijs is dat Majorana nulmodes zijn gedetecteerd, totdat een ander team van onderzoekers het reproduceert. Maar dat kan moeilijk worden. Sommige details over de apparaten van Microsoft zijn namelijk niet gepubliceerd omdat het bedrijfsgeheimen zijn, zegt hij.
Qubits
Het team van Microsoft heeft al plannen om het apparaat complexer te maken en meer op quantumcomputers te laten lijken. ‘We hebben er genoeg vertrouwen in dat onze volgende mijlpaal het bouwen van een echte qubit zal zijn. Dat zal de beste manier zijn om de twijfelaars minder te laten twijfelen’, zegt Nayak.
Natuurkundige Matthias Troyer van Microsoft zegt dat de vondst een stap is in de richting van het bouwen van quantumcomputers die miljarden betrouwbare bewerkingen per seconde kunnen uitvoeren.
Maar zelfs als de bevinding klopt, blijft er twijfel bestaan over het nut van dergelijke qubits. ‘Er wordt al meer dan tien jaar naarstig gezocht naar bewijs voor Majorana-nulmodes in quantumdraden en ik ben blij met deze recente vooruitgang. Maar onvolkomenheden in de materialen blijven de prestaties van deze apparaten beperken’, zegt theoretisch natuurkundige John Preskill van het California Institute of Technology.
