Majoranodeeltjes oplossing voor decoherentie?

Zet je maar vast schrap, want we gaan het, zoals de kop al aangeeft, over de kwantumcomputer hebben, maar ook over de, voor mij, minstens zo onbegrijpelijke Majorana-deeltjes. Al vele jaren wordt er gespeculeerd op en gewerkt aan de ontwikkeling van de kwantumcomputer, die ook nog eens welhaast goddelijke eigenschappen krijgt toegedicht, maar het grote probleem is de vreemdheid van de kwantumwereld. Decoherentie is een van de problemen waar de ontwikkelaars tegenaan lopen, het verlies van het kwantumkarakter. Heel wat deskundigen zijn dan ook somber over de mogelijkheden ooit een goed werkende kwantumcomputer te bouwen. Mogelijk dat de Majorana-fermionen, ook een kwantumfenomeen, een oplossing kunnen bieden, zo lees ik in Futura-Sciences. Recent onderzoek van het Deense Niels Bohr-instituut lijkt die gedachte te ondersteunen.
Het levensverhaal van Ettore Majorana leest als een thriller. De Italiaan werd  beschouwd als een natuurkundig genie in de categorie van Newton en Galilei. Hij was bevriend met Enrico Fermi. Hij verdween op nog immer niet opgehelderde wijze in 1938, toen hij op het punt stond een algemene theorie te ontvouwen over kwantumdeeltjes met een halftallige spin, waarmee hij de elektronentheorie van Dirac zou veralgemenen. Hij had ook een alternatief voor die theorie van de Brit ontwikkeld met deeltjes die leken op de fermionen (vernoemd naar Fermi) van Dirac. Hij noemde die Majorana-fermionen (fermionen hebben een halftallige spin).

Deze Majorana-fermionen zouden kunnen bestaan als elementaire deeltjes, zoals neutrino’s, maar ook als schijndeeltjes zoals fotonen. Er is lang gezocht naar die Majoranadeeltjes, maar een paar jaar geleden lijken ze dan toch gevonden te zijn in een een nanodraad van indiumantimonide door onderzoekers rond Leo Kouwenhoven van de TU Delft. De ontdekking leidde tot enige opwinding omdat die Majoranadeeltjes de zogeheten topologische kwantumcomputer mogelijk zou maken, een kwantumcomputer die geen last heeft van decoherentie.
De Majorana-fermionen in een plat vlak gedragen zich als, het wordt er niet eenvoudiger op, deeltjes die anyonen worden genoemd (niet anionen dus). Dat zijn geen echte fermionen zoals de quarks, noch bosonen zoals de fotonen, maar met die schijndeeltjes zou de superpositie veel stabieler zijn dan met andere kwantumdeeltjes. Superpositie, even ter herinnering, is de situatie dat een deeltje in meer dan een toestand tegelijk kan verkeren, waardoor de kwantumcomputer superieur zou moeten zijn aan het oude digitale rekentuig.

Kwantumbits die berusten op Majoranadeeltjes zouden dus minder last hebben van decoherenetie dan die berusten op atoomkernen, zo concludeerden onderzoekers van het Deense Niels Bohr-instituut. De onderzoekers gebruikten niet als in het Delftse onderzoek indiumantimonide-, maar indiumarsenide-draden (een halfgeleider). Die deels met aluminium bedekte nanodraden worden supergeleidend bij zeer lage temperaturen.
De draden zijn, bij die lage temperaturen, verbonden met goudelektrodes en er werd een spanningsverschil op gezet. Dan vormt zich tussen de elektroden een keten van wederzijds verstrengelde elektronen. De elektronen aan de twee uitersten van de keten gedragen zich als een Majorana-fermion. De theorie zegt dat deze, verstrengelde, elektronen, goed bestand zijn tegen decoherentie. Of dat voldoende is voor een goed werkende kwantumcomputer, een kwantumbit zou verschillende fermionen gebruiken, moet nog worden uitgezocht.

Bron: Futura-Sciences