Utrechtse natuurkundigen zetten stap naar realiseren van qubits voor quantumcomputers

Materie naar je eigen hand zetten: de nultoestand in de hoek geduwd

24 september 2019

Een groep natuurkundigen in Utrecht, San Sebastián en Pennsylvania hebben een nieuw kunstmatig molecuul gecreëerd, dat binnenin isoleert maar waarbij in de hoeken elektronische toestanden gelokaliseerd zijn. Deze toestanden hebben nul energie en zijn hierdoor bestand tegen defecten in het molecuul. Daarom kunnen ze mogelijk als qubits in quantumcomputers worden gebruikt. De resultaten zijn op 23 september in Nature Materials gepubliceerd.

"Bij de ontwikkeling van quantumcomputers komen een paar grote uitdagingen kijken. Een van de belangrijkste problemen is de zogenaamde quantumdecoherentie: informatie gaat verloren in de omgeving. Hierdoor is het moeilijker om elektronica op quantumniveau te ontwerpen dan op klassiek niveau. Daarom hebben we elektronen gecreëerd die bestand zijn tegen deze decoherentie," licht prof. Cristiane Morais Smith toe.

Kunstmatige moleculen maken

"Normale moleculen die je in de natuur aantreft hebben vaak interessante eigenschappen, maar het duurt lang voordat je er een vindt met precies die eigenschappen waar je naar op zoek bent. Daarom zijn we deze materie zelf gaan aanpakken," legt theoretisch natuurkundige Sander Kempkes uit. De onderzoekers creëerden kunstmatige moleculen met uitsluitend een scanning tunneling-microscoop, een koperen plaatje en een aantal koolmonoxide moleculen, die op een afstand van één nanometer van elkaar werden geplaatst.

Donut

De onderzoekers slaagden erin om zeer robuuste hoektoestanden te creëren die door de symmetrieën van het zelfgemaakte molecuul worden beschermd. Je kunt het gat van een donut niet verwijderen, tenzij je hem doorsnijdt. Op dezelfde manier kun je deze hoektoestanden niet verwijderen zonder iets drastisch aan het systeem te veranderen. Wegens de extreem nauwkeurige en gecontroleerde manier waarop het molecuul op nanometerschaal is gecreëerd, zijn de onderzoekers erin geslaagd om te bevestigen dat de hoektoestanden tegen defecten bestand zijn. Hoewel deze toestanden nog niet klaar zijn voor het gebruik als qubits, is het een belangrijke stap in de richting van het creëren hiervan in kunstmatige systemen.

Kagome patroon in een gevlochten mandKagome patroon in een gevlochten mand

Japans patroon

De onderzoekers haalden hun inspiratie uit het zogenaamde kagome-patroon, een patroon uit Japan dat bestaat uit drie- en zeshoeken. Er bestaan materialen die deze specifieke vorm hebben, maar niet precies zoals de onderzoekers wilden. Om deze reden ontwierpen theoretische natuurkundigen een nieuw kagome-molecuul op de computer. Hierna hebben de experimentele natuurkundigen in het lab van Ingmar Swart en Daniel Vanmaekelbergh het molecuul op experimentele wijze weten te realiseren. Zij hadden dezelfde technieken al eerder gebruikt om elektronische roosters te maken in verband met supermaterialen en quantumfractalen.

Muffinvorm

"Het manipuleren van een koolmonoxidemolecuul kun je zien als het verschuiven van de koningin op een schaakbord, maar dan op nanometerschaal en met een naald in plaats van met je vinger," aldus experimenteel natuurkundige Marlou Slot. De hele procedure is alsof je een omgekeerde muffinvorm (koningin) met de gewenste geometrie creëert voor de elektronen die rondzweven. De muffinvorm dwingt de elektronen in de vorm die de onderzoeker wil, klaar om te bakken en op te dienen. Alhoewel, we moeten het 'muffins bakken' hier niet te letterlijk nemen, want het proces vindt plaats bij -269 graden Celsius. Eet smakelijk!

Publicatie

 

Robust zero-energy modes in an electronic higher-order topological insulator
Sander N. Kempkes*, Marlou R. Slot*, Jette J. van den Broeke*, Pierre Capiod*, Wladimir A. Benalcazar, Daniel Vanmaekelbergh*, Dario Bercioux, Ingmar Swart*, Cristiane Morais Smith*
Nature Materials, DOI 10.1038/s41563-019-0483-4, 23 September 2019
* Alle auteurs zijn verbonden aan de Universiteit Utrecht

Dit onderzoek is deels gefinancierd door NWO Physics.

Links: Schematische weergave van het gemaakte molecuul. De koolmonoxidemoleculen (zwart) dwingen de elektronen in bepaalde posities om een kunstmatige molecuul te creëren dat bestaat uit bulk- (groen), rand- (geel) en hoek- (blauw) atomen. Rechts: De elektronen in het molecuul lokaliseren in hoge pieken in de hoeken).

Bron: Universiteit Utrecht