三位点Kitaev链增强了Majorana零模的稳定性

由QuTech领导的一个国际研究小组利用InSb/Al纳米线中的超导段耦合的半导体量子点实现了三位点Kitaev链。当比较同一设备内的两个和三个位点链时，他们观察到将链延伸到三个位点可以提高零能量模式的稳定性。这项工作展示了基于量子点的Kitaev链的可扩展性及其承载稳定的Majorana零模的潜力。研究人员在《自然纳米技术》上发表了他们的研究结果

Majorana零模（MZMs）是预测出现在拓扑超导体边缘的准粒子。此外，MZM有望显示非阿贝尔交换统计数据——拓扑量子计算的一个关键特征——使拓扑超导体成为无退相干量子计算和高保真量子门的有前景的候选者

一维拓扑超导体可以用Kitaev模型创建——一个通过p波超导和电子跳跃耦合的无自旋费米子链——对于较长的链来说，它变成了拓扑的。现在，研究人员已经实现了三位点Kitaev链，并证明了与两位点链相比，零能量模式的稳定性得到了增强

在过去的十年里，研究人员开发了多个实验平台，作为拓扑超导的潜在实现。最近，一种新的方法被实现了：由两个量子点通过超导体耦合组成的最小Kitaev链（如QuTech最近创建的）

即使是这个短的双站点Kitaev链也被证明含有一对MZM，尽管它们的稳定性较低，因此被称为穷人的MZM。由于长链中的MZM预计不受局部噪声和化学势变化的影响，研究人员的目标是将双位点链扩展到更多位点

在这项研究中，由Leo Kouwenhoven和Grzegorz Mazur以及QuTech的第一作者Alberto Bordin和Chun Xiao Liu领导的研究人员，利用埃因霍温技术大学Erik Bakkers小组提供的材料，开发了一种三位点Kitaev链。该链由三个半导体量子点组成，通过混合InSb/Al纳米线中的超导段连接

Mazur解释说：“在先前工作的基础上，我们将两个位点的Kitaev链扩展到三个位点，并发现Majorana零模在这个新平台上更稳定。这项工作表明，将Kitaev链路扩展到更多位点是获得稳定的Majorana零模式的有前景的方法。”

Bordin补充道：“我们之前已经证明，即使是最小的两个位点Kitaev链条也可以承载Majorana束缚态。然而，这些是不受保护的。现在已经确定，一旦我们延长链，它们的稳定性就会增加，这表明这种策略对技术应用是有用的。从我们的计算来看，五到六个位点似乎足以设计出一种优于其他方法的技术。”“

将所有部分整合在一起

这项工作是三年前在QuTech开始的一项更大努力的一部分。Mazur说：“起初，我们设法创建了一个通过超导配对耦合两个量子点的晶胞。虽然这个晶胞还不是拓扑超导体，但它的边缘确实有两个MZM。为了现在达到拓扑状态，我们需要将多个晶胞堆叠在一起。因此，我们必须学习并建立如何将这些单个元素耦合在一起的坚实基础。这个系统

Bordin解释说：“我们以更高的精度将所有这些部分结合在一起，创建了一个更大尺寸的功能系统。”

事实证明，该器件的制造耗时很长，它有11个栅极。在洁净室中经过多次迭代后，博丁和他的同事们设法创建了多个工作设备。测量表明，所有被测设备都承载了三个位点链，显示出对扰动的鲁棒性

Mazur说：“我对测量的可重复性感到惊讶。当我发现两台设备的最终结果几乎完全相同时，我在实验室里跑来跑去告诉我的同事，我们已经创建了两台光谱相同的不同设备。”

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下一步，研究人员将对他们的设备进行量子信息实验。“我们想研究这些Kitaev链作为量子比特是如何表现的，”Mazur解释道

“看看Kitaev链的长度如何影响量子比特的寿命将是非常有趣的。两个位点链的稳定性较低，因此量子比特将受到栅极电压上的电噪声的限制。然而，对于三个位点链，我们现在已经证明零模更稳定。使用这些较长的链调整量子比特应该较少受到栅极噪声的影响。”

为了实现真正的拓扑保护，Bordin的目标是使Kitaev链路更长：“利用机器学习自动调整这些Kitaev链条可以帮助获得拓扑保护。”一旦在未来适当扩大规模，这项工作可能会导致第一种实用的量子计算技术

Mazur说：“我们正在逐步构建拓扑量子比特。”

Kouwenhoven补充道：“我们一直在取得进展：一项关于三个位点Kitaev链与另一个量子点耦合的新工作已经在筹备中，预计将在几周内上线。”