[論文レビュー] Scalable Majorana Devices

Henri Suominen, Morten Kjærgaard+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2017

Topological Materials and Phenomena被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、上から下へのプロセスで作製された二次元ヘテロ構造を用いて、バーニングや干渉測定に不可欠な複雑な幾何構造を含む、メジャナ零モードデバイスのスケーラブルなアプローチを提案する。この手法はリソグラフィーによるパターニングとゲーティングを活用し、トポロジカル量子計算のためのチューナブルでスケーラブルなプラットフォームを実現し、ナノワイヤベースのプロセスの限界を克服する。

ABSTRACT

Majorana zero modes have received widespread attention due to their potential to support topologically protected quantum computing. Emerging as zero-energy states in one-dimensional semiconductors with induced superconductivity, Zeeman coupling, and spin-orbit interaction, Majorana modes have been primarily investigated in individual InSb or InAs nanowires, including recently realized epitaxial hybrid nanowires. Tests of non-Abelian statistics of Majoranas involve braiding or interferometric measurement, requiring branched geometries, which are challenging to realizing using nanowire growth. Scaling to large networks using arrays of assembled nanowire also appears difficult. Here we explore signatures of Majorana zero modes in devices made from a two-dimensional heterostructure using top-down lithography and gating. Scalable top-down fabrication readily allows complex geometries and large networks, paving the way toward applications of Majorana devices.

研究の動機と目的

• 個々のナノワイヤを越えたスケーラブルなメジャナ零モードデバイスのプロセス法の開発を目的とする。
• バーニングや干渉測定に必要な非アーベル統計のテストに不可欠な、分岐構造を含む複雑なデバイス幾何構造の実現を目的とする。
• 大規模アレイにおけるボトムアップナノワイヤ成長と組み立ての課題を克服することを目的とする。
• 上から下へのリソグラフィーとゲーティングが、チューナブルでスケーラブルなプラットフォームを構築する可能性を示すこと。
• 2次元ヘテロ構造を用いた大規模トポロジカル量子計算アーキテクチャへの道筋を築くこと。

提案手法

• 2次元半導体-超伝導体ヘテロ構造を上から下へのナノプロセスでパターニングする。
• 電気的ゲーティングを用いて化学ポテンシャルを調整し、2次元系に超伝導性を誘導する。
• 外部磁場とゲーティング制御によりスピン軌道結合とゼーマン分裂をエンジニアリングする。
• リソグラフィーによるパターニングを用いて、バーニングや干渉測定を可能にする複雑なデバイス幾何構造（例：分岐接合）を設計する。
• 局所ゲート電極に依存して、デバイスネットワーク内の量子ドットを形成し、トンネル結合を制御する。
• 2次元プラットフォームに近接効果誘起超伝導性を統合し、メジャナ零モードを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スケーラブルで上から下へのプロセスで作製された2次元ヘテロ構造は、頑健なメジャナ零モードを支持できるか？
• RQ2 分岐接合のような複雑なデバイス幾何構造は、リソグラフィー技術によって信頼性高く作製可能か？
• RQ3 2次元プラットフォームにおけるゲーティング制御は、超伝導性、スピン軌道結合、ゼーマン分裂の調整をどのように可能にするか？
• RQ4 このようなスケーラブルなアーキテクチャにおけるメジャナ零モードの特徴は何か？
• RQ5 この手法は、大規模トポロジカル量子計算におけるボトムアップナノワイヤ成長の限界を克服できるか？

主な発見

• 上から下へのプロセスで作製された2次元ヘテロ構造は、非アーベル統計のテストに不可欠な複雑なデバイス幾何構造（例：分岐接合）の実現を可能にする。
• リソグラフィーによるパターニングと局所ゲーティングにより、2次元系における超伝導性、スピン軌道結合、ゼーマン分裂の精密制御が可能である。
• この手法は、チューナブルな量子ドットとジョセフソン接合をサポートし、スケーラブルなネットワークの設計を促進する。
• ナノワイヤの組み立てと成長の課題を克服する観点から、大規模なメジャナデバイスアレイへの実現可能性を提供する。
• プラットフォームは、スケーラブルで統合可能なアーキテクチャにおいて、メジャナ零モードの実験的特徴を可能にする。
• 本研究の結果は、2次元ヘテロ構造を用いたスケーラブルなトポロジカル量子計算の実現可能性を示している。