[论文解读] Scalable Majorana Devices

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

Topological Materials and Phenomena被引用 8

一句话总结

本文提出了一种基于自上而下制备的二维异质结构的可扩展Majorana零模器件方法，实现了分叉网络等复杂几何结构，这对于编织和干涉测量至关重要。该方法利用光刻图案化和背栅调控，在可调谐、可扩展的平台上实现拓扑量子计算，克服了基于纳米线的制备方法的局限性。

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.

研究动机与目标

• 开发超越单根纳米线的可扩展Majorana零模器件制备方法。
• 实现分叉结构等复杂器件几何形状，以通过编织或干涉测量验证非阿贝尔统计。
• 克服大规模阵列中自下而上生长纳米线及其组装带来的挑战。
• 证明自上而下光刻和栅控在构建可调谐、可扩展的Majorana物理平台中的可行性。
• 为基于二维异质结构的大规模拓扑量子计算架构铺平道路。

提出的方法

• 利用自上而下的纳米制造技术对二维半导体-超导体异质结构进行图案化。
• 通过电学栅控调节化学势并诱导二维系统中的超导性。
• 通过外加磁场和栅控工程调控自旋-轨道耦合和Zeeman分裂。
• 利用光刻图案化设计复杂器件几何结构（例如分叉结），以实现编织和干涉测量。
• 依赖局部栅极电极在器件网络中创建量子点并控制隧道耦合。
• 在二维平台上集成近邻诱导的超导性，以容纳Majorana零模。

实验结果

研究问题

• RQ1 可扩展的自上而下制备的二维异质结构能否支持稳定的Majorana零模？
• RQ2 能否通过光刻技术可靠地制造分叉结等复杂器件几何结构，以实现非阿贝尔编织？
• RQ3 在二维平台上，栅控如何实现对超导性、自旋-轨道耦合和Zeeman分裂的调控？
• RQ4 在这种可扩展架构中，Majorana零模的特征信号是什么？
• RQ5 该方法能否克服自下而上纳米线生长在大规模拓扑量子计算中的局限性？

主要发现

• 自上而下制备的二维异质结构能够实现复杂器件几何结构（包括分叉结），这对于验证非阿贝尔统计至关重要。
• 光刻图案化和局部栅控可精确控制二维系统中的超导性、自旋-轨道耦合和Zeeman分裂。
• 该方法支持可调谐量子点和约瑟夫森结，有利于可扩展网络的设计。
• 该方法为大规模Majorana器件阵列提供了可行路径，克服了纳米线组装和生长的挑战。
• 该平台可在可扩展且可集成的架构中实现Majorana零模的实验信号。
• 结果表明，利用二维异质结构实现可扩展拓扑量子计算具有可行性。