Topological superconductors for robust quantum computation
- Reference number
- IB13-0001
- Start and end dates
- 140901-200831
- Amount granted
- 6 000 000 SEK
- Administrative organization
- Uppsala University
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
Topological superconductors (TSCs) belong to a new state of matter with a non-local, or topological, order. They have lately generated an immense amount of attention, due to the possibility of them having Majorana fermions at surfaces, vortices, and other defects. Majorana fermions are particles which are their own anti-particles and can be used to make quantum computing extremely fault-tolerant. In so-called topological quantum computation with Majorana fermions any disorder and decoherence is automatically rendered unimportant. This finally opens the door for a real quantum computer, beyond a few single qubits implemented in extremely controlled laboratory environments, as is the case today. The goals of this project are to discover new and experimentally viable TSCs with Majorana fermions and to determine the properties of the Majorana fermions, as well as the conditions necessary for feasible topological quantum computation, in real materials. The project will focus both on the currently most promising proposals for TSCs found in superconducting hybrid structures of well-known spin-orbit coupled materials and on discovering new experimentally practical TSCs in, for example, graphene(-like) materials. The project will generate new fundamental understanding of the superconducting state and its accompanied Majorana fermions and, most importantly, establish, in close collaboration with several experimental groups, the properties of Majorana fermions in real materials.
Popular science description
Topologiska supraledare är nyligen upptäckta supraledare med en ovanlig icke-lokal, eller så kallad topologisk, ordning. Dessa nya supraledare har på mycket kort tid rönt ett otroligt stort internationellt intresse eftersom de kan ha Majoranafermioner på ytor, i supraledande virvlar och i andra defekter. Majoranafermioner är väldigt originella partiklar som inte beter sig som några av de vanliga partiklarna som bygger upp alla material vi har omkring oss. Man kan approximativt säga att en Majoranafermion är en halv elektron, det vill säga i ett system med Majoranafermioner ha man effektivt sätt lyckats splittra upp och separera en elektron i två delar. Denna icke-lokala natur hos Majoranafermionerna kan användas för att genomföra extremt feltoleranta kvantberäkningar. I så kallade topologiska kvantberäkningar med Majoranafermioner är alla störningar, som är det största hindret för att konstruera en kvantdator, automatiskt betydelselösa. Detta öppnar äntligen dörren till en riktig kvantdator med många fler än några enstaka kvantbitar implementerade i en extremt kontrollerad laboratoriemiljö såsom idag är fallet. Målet för detta projekt är att upptäcka nya och experimentellt gångbara topologiska supraledare med Majoranafermioner, samt att bestämma egenskaperna hos Majoranafermionerna och de nödvändiga villkoren för att kunna genomföra topologiska kvantberäkningar. Projektet fokuserar dels på de idag mest lovande förslagen på topologiska supraledare som återfinns i hybridstrukturer av vanliga supraledare och välkända spin-bankopplade material. Men också på möjligheten att finna nya topologiska supraledare i grafen(liknande) material. Projektet kommer att generera ny fundamental förståelse för det supraledande tillståndet och dess Majoranafermioner men framförallt etablera, i nära samarbete med flera experimentella grupper, egenskaperna hos Majoranafermionerna i riktiga materialstrukturer som kan användas för att bygga en topologisk kvantdator.