Das Gebiet der Quantencomputer hat möglicherweise gerade einen Kohärenz- und Fehlervermeidungsschub erhalten in Form von Parafermionen: gruppierte Elektronen, die sich in einem speziellen Aggregatzustand wie Flüssigkeiten verhalten. Wissenschaftler der Nanyang Technical University in Singapur (öffnet in neuem Tab) haben experimentelle Ergebnisse gezeigt, von denen sie erwarten, dass sie zu Parafermionen führen, wenn Elektronen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (-273 Grad Celsius) halten. Die Forschung erzielte einen Durchbruch, indem sie zeigte, dass es Bedingungen gibt, unter denen Elektronen starke Wechselwirkungen haben können – etwas, was Wissenschaftler bisher nur theoretisiert haben.
Die geordnete Bewegung von Elektronen führt zu dem, was wir als Elektrizität kennen. Aber selbst wenn sich Elektronen in diesem „geordneten“ Muster bewegen, sind sie es eigentlich nicht. Da sie negativ geladen sind, stoßen sich Elektronen gegenseitig ab und neigen dazu, sich einzeln und willkürlich in verschiedene Richtungen (wie ein Gas) zu bewegen, anstatt als zusammenhängendes Ganzes. Sie ähneln behinderten Autofahrern: Sie können ihr Ziel mit einigen „Unebenheiten“ unterwegs erreichen. Aber wenn sich Elektronen wie eine Flüssigkeit verhalten, ist das so, als würde man die beeinträchtigten Treiber gegen ordentliche austauschen; Fahrer, die die Grenzen, Geschwindigkeit und Richtung des anderen kennen und respektieren, um Konflikte zu reduzieren und ihr Ziel besser zu erreichen.
Natürlich sind solche Treiber Gegenstand vieler theoretischer Überlegungen, aber zumindest die starken Elektronenwechselwirkungen wurden jetzt experimentell nachgewiesen.
Wenn Elektronen dazu gebracht werden, in einer sogenannten „helikalen Tomonaga-Luttinger-Flüssigkeit“ zu agieren, gibt es weniger Teilchenwechselwirkungen und Energieaustausch zwischen ihnen und dem System. Dies wiederum verringert die Menge an systemischen und umweltbedingten Störungen, die so oft die Ursache für Fehler und kollabierte Quantenzustände in Quantensystemen sind. Das vorherige Abkühlen der Elektronen auf nahezu den absoluten Nullpunkt ist ebenfalls ein wesentliches Element, da es bestimmten Materialien ermöglicht, den Zustand eines Supraleiters zu erreichen, in dem Elektronen seine Oberfläche ohne elektrischen Widerstand durchqueren, wodurch die möglichen Elemente von Umwelteinflüssen weiter reduziert werden. Das auf den absoluten Nullpunkt (im Experiment bis auf 4,5 Kelvin oder -269 Grad Celsius) gekühlte System zwingt die Partikel zu einer Verlangsamung, so dass sie fast unbeweglich werden.
Elektronen (und ihre Spin-Eigenschaft) werden schon seit einiger Zeit als quantenprogrammierbare Teilchen verwendet. Daher bedeuten Verbesserungen bei der Elektronensteuerung, die zu weniger Störungen führen, weniger Fehler und eine verbesserte Kohärenz, was eine längere Lebensdauer für die eigentlichen Qubits bedeutet, die Informationen speichern oder verarbeiten können. Tatsächlich verwenden bestimmte Quantensysteme (wie IBMs Quantum One und Quantum Two) bereits supraleitende Qubits.
In diesem Fall verwendeten die Wissenschaftler ein atomdickes Graphensubstrat, auf dem sie atomdicke Kristalle aus Wolframditellurid ablagerten: ein fast zweidimensionales Material, das als „Quantenspin-Hall-Isolator“ bekannt ist und die Schwerkraft auf seiner Innenseite isoliert, aber Elektronen auf der Innenseite aufweist außen. Nachdem das Graphen/Wolfram-Ditellurid-Substrat zusammengesetzt und auf den absoluten Nullpunkt abgekühlt war, legte das Forschungsteam es unter ein Rastertunnelmikroskop, das nur einen Nanometer von seiner Oberfläche entfernt lag: kleiner als ein DNA-Strang und kleiner als jeder jemals hergestellte Transistor (selbst wenn Betrachten Sie diejenigen, die die neuesten besten Grafikkarten antreiben).
Als sie unter das Rastertunnelmikroskop gestellt und auf den absoluten Nullpunkt abgekühlt wurden, bemerkten die Forscher, dass die Elektronen im Graphen/Wolfram-Substrat ihre Abstoßung verstärkten. Ihre Abstoßung war so stark, dass die Elektronen aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem Abstoßungsfeld jedes Elektrons gezwungen waren, sich gemeinsam zu bewegen. Die Forscher registrierten einen Luttinger-Parameter im Bereich von 0,21 bis 0,33. Dieser Parameter repräsentiert die Stärke der Wechselwirkungen zwischen Partikeln; bei 1 sind die Wechselwirkungen am schwächsten.
„Wenn der Luttinger-Parameter kleiner als 0,5 ist, sind die Wechselwirkungen stark und die Elektronen werden in eine kollektive Bewegung gezwungen. Dies ist der Bereich, in dem die Existenz von Parafermionen vorhergesagt wird“, sagte Assistant Prof. Weber. „Dies ist eine wirklich bemerkenswerte Variationsbreite, da der Luttinger-Parameter nur zwischen 0 und 1 liegen kann“, fuhr er fort. „Die Kontrolle des Luttinger-Parameters bei so niedrigen Werten wurde noch nie zuvor in einer helikalen Tomonaga-Luttinger-Flüssigkeit beobachtet.“
Das Team plant nun, die Temperaturen noch weiter zu senken, indem es das neue Ultra-Low Vibration Laboratory der NTU Singapore nutzt, das Anfang dieses Jahres gebaut wurde. Das Labor wird es ermöglichen, Experimente bei noch niedrigeren Temperaturen von 150 Millikelvin (mK) durchzuführen – noch näher am absoluten Nullpunkt, was es den Forschern ermöglichen sollte, eine stärkere Abstoßung zwischen Elektronen und das tatsächliche Beobachten von Parafermion-Gruppierungen zu sehen.
Interessanterweise scheint der Ansatz der Forscher in gewissem Zusammenhang mit Microsofts eigenem Rennen um die Implementierung sogenannter topologischer Qubits und ihrer erforderlichen (und noch fehlenden) Majorana-Modi zu stehen.