Suomessa on kehitetty puolalaisyliopiston kanssa uusi materiaali kvanttitietokoneiden kubittien rakennusaineeksi. Materiaalissa hyödynnetään erittäin ohuesti suprajohtavaa ja magneettista materiaalia sekä rajapinnassa syntyvää  Majorana-hiukkasta.

Kvanttitietokoneissa yleisemmin käytetyt suprajohtavat kubitit pystyvät äärimmäisen nopeisiin ja vaikeisiin laskutoimituksiin, mutta heikkoutena on että kvantti-informaatio haihtuu myös hyvin nopeasti, mikä rajoittaa käytännön laskutoimituksia.

Nyt suomalaiset ja puolalaiset teoreettiset ja kokeelliset fyysikot ovat yhteistyössä onnistuneet luomaan uudenlaisen materiaalin, topologisen suprajohteen, jota voidaan tulevaisuudessa käyttää kubittien rakennusaineena. Tutkimustulokset julkaistiin juuri Nature-lehdessä (LINKKI).

Tutkijat loivat uuden materiaalin yhdistämällä hyvin ohuen kerroksen suprajohtavaa ja magneettista materiaalia. Niiden rajapinnalle syntyi Majorana-hiukkanen, jonka olemassaolon Ettore Majorana ennusti teoreettisesti jo vuonna 1937. Majorana-hiukkanen on samalla oma antihiukkasensa eli sillä on tietyt vastakkaiset ominaisuudet ja sen varaus on nolla.

Majorana-hiukkasia ei ole vielä löydetty luonnosta, mutta niitä voidaan luoda keinotekoisesti. Tämä tarkoittaa materiaalissa olevien elektronien huijaamista kvanttimekaniikan avulla siten, että joukko elektroneja käyttäytyy kuin Majorana-hiukkanen. Tässä onnistuivat ensimmäistä kertaa Delftin teknillisen yliopiston tutkijat laboratoriossaan vuonna 2012.

Tutkijat kasvattivat ohuita materiaalikerroksia molekyylisuihkuepitaksia-menetelmällä ja käyttivät niiden rakenteen ja sähköisten ominaisuuksien mittaamiseen pyyhkäisytunnelointimikroskooppia. Sen terävä neula tarkastelee materiaaleja atomien tarkkuudella.

’’Kvantti-informaatio säilyy näissä kubiteissa solmun kaltaisessa muodossa, kahden Majorana-hiukkasen kietoutuessa toisiinsa”, kertoo Aalto-yliopiston professori Peter Liljeroth. Atomitason teoreettisesta ja tietokonemallinnuksesta vastasivat Aalto-yliopiston professori Adam Foster ja Tampereen yliopiston professori Teemu Ojanen.

Normaalisti suprajohtavuus ja magnetismi ovat toisilleen vastakkaisia ilmiöitä: materiaalit, jotka ovat suprajohteita eivät ole magneettisia ja magneetit eivät ole suprajohteita. Lisäksi suprajohtavat materiaalit lakkaavat suprajohtamasta, kun ne joutuvat kosketuksiin magneetin kanssa. Suprajohtavuus tarkoittaa, että sähkövirta pääsee kulkemaan aineessa täysin ilman häviötä.

”Suprajohtavan ja magneettisen materiaalin väliset vuorovaikutukset muuttavat niiden ominaisuuksia, mutta Majorana-tilojen luomiseksi materiaalien tarvitsee olla vuorovaikutuksessa vain vähän. Majorana-hiukkasille tarvittavat ominaisuudet pääsevät syntymään tässä vähäisessä vuorovaikutuksessa, mutta materiaalit säilyttävät samalla alkuperäiset ominaisuutensa”, sanoo tutkijatohtori Shawulienu Kezilebieke.

”Tietokonesimulaatioiden avulla voidaan kuvata ja ymmärtää ominaisuuksia, joita ei voi suoraan kokeellisesti mitata. Perusteellinen tietokonesimulaatio oli tutkimuksessa tarpeen sen todistamiseksi, että mikroskoopilla mitattu virtasignaaliaiheutui juuri Majorana-tilasta”, sanoo Adam Foster.

Tutkimusyhteistyöhön osallistui tutkijoita Aallon ja Tampereen yliopiston lisäksi Puolan M. Curie-Skłodowska -yliopistosta. Tutkimuksessa on hyödynnetty kansallista VTT:n ja Aalto-yliopiston operoimaa OtaNano-tutkimusinfrastruktuuria, joka tarjoaa kokeellisen ympäristön ja laitteistot nanotieteiden ja -teknologioiden, sekä kvanttiteknologioiden tutkimukseen.

Kuva: Majorana-tila syntyy suprajohteen ja magneetin vuorovaikutuksesta. Kuva Alex Tokarev, Ella Maru Studio.