Majorana’s ontdekken is één ding, ermee een werkende quantum-bit (qubit) maken is een nog grotere uitdaging. Een belangrijke hobbel op die weg is intussen geslecht, schrijven onderzoekers van de TU Delft vandaag in Nature Physics, een hobbel die al zeker dertig jaar op de tafel van de wetenschap lag: Voor het eerst hebben ze een manier gevonden om vast te stellen of het aantal elektronen in een magneetveldbestendige supergeleider even of oneven is. Tot op heden kon dat uitsluitend in aluminium, wat voor majorana-qubits onbruikbaar materiaal is. Dit geeft onderzoekers een manier om toekomstige majorana-qubits, waarbij de informatie vastligt in deze zogenaamde ‘parity’, te kunnen uitlezen.

Qubits
Qubits bevatten net als gewone bits informatie. In het geval van gewone bits is dat 0 of 1, maar een qubit heeft volgens de wetten van de quantum mechanica de mogelijkheid om zowel 0 en 1 tegelijk te zijn. Dit maakt het mogelijk bepaalde rekensommen razendsnel op te lossen, berekeningen die zelfs met de beste supercomputers eeuwen zouden duren. Verschillende onderzoeksgroepen en bedrijven over de hele wereld werken momenteel aan het ontwikkelen van een prototype voor zo’n krachtige quantumcomputer, waaronder QuTech van de TU Delft.

Majorana
Een kansrijke kandidaat om het hart van zo’n quantumcomputer te vormen zijn qubits gebaseerd op Majorana’s. Tot nu toe was een groot probleem voor de wetenschappers hoe ze zo’n qubit moesten uitlezen. Daarvoor moesten ze kunnen meten of de qubit uit een even of oneven aantal deeltjes bestaat, in jargon: parity. Parity meten kunnen wetenschappers al dertig jaar, maar opmerkelijk genoeg lukt dat uitsluitend in het metaal aluminium. En dat is voor de Majorana-onderzoekers een groot probleem, want om Majorana’s te laten ontstaan is supergeleidend materiaal nodig dat bestand is tegen een sterk magneetveld en dat is aluminium niet. Voor een Majorana-qubit is aluminium als basismateriaal volledig ongeschikt .

Alternatief voor Aluminium
Voor het eerst zijn wetenschappers van de TU Delft er in geslaagd om ‘parity’ te meten in een ander materiaal: Niobium titanium  nitride (NbTiN). Dat materiaal heeft de bijzondere eigenschap dat het supergeleidend is, maar vooral dat het ongevoelig is voor de sterke magneetvelden die nodig zijn voor Majorana-paren te creëren . “Het mooie is ook dat we in dit materiaal niet alleen kunnen meten of er een even of oneven aantal elektronen in zit, we kunnen een bepaalde toestand, bijvoorbeeld ‘even’, ook een minuut lang gecontroleerd in stand houden”, vertelt David van Woerkom van het QuTech instituut van de TU Delft. “In ons vak werken we met micro- of zelfs nanosecondes, dus een minuut is zowat een eeuwigheid”.

Quasi-deeltjes
Majorana’s zijn een bijzonder soort (quasi-)deeltjes: alle deeltjeseigenschappen ervan zijn nul. Het deeltje is daarmee zijn eigen anti-deeltje. Een Majorana-paar is bovendien ongevoelig voor lokale veranderingen van zijn omgeving, waardoor het een veelbelovende kandidaat is om stabiele qubits mee te bouwen. Het deeltje werd al in de jaren dertig van de vorige eeuw voorspeld door de op mysterieuze wijze verdwenen jonge Italiaanse wetenschapper Ettore Majorana. In 2012 werd de Majorana voor het eerst aangetoond door de onderzoeksgroep van Leo Kouwenhoven in Delft.

Het Quantum Technologie instituut
Het QuTech instituut dat werkt aan de ontwikkeling van de quantumcomputer, is opgezet door de TU Delft en TNO. Voor dit onderzoek hebben de QuTech wetenschappers samengewerkt met FOM en Microsoft Station Q. Het instituut kreeg in 2014 van de Nederlandse overheid de status van ‘Nationaal Icoon’.