Majorana-onderzoek krabbelt weer overeind

Het was altijd al lastig om je een voorstelling te maken van Majorana’s. Ze doken in 2012 op in het Delftse laboratorium van prof.dr.ir. Leo Kouwenhoven (faculteit Technische Natuurwetenschappen). Er werd gesproken over een deeltje dat zijn eigen tegendeeltje zou zijn en dat altijd paarsgewijs voorkomt. Heel eenduidig was het ook allemaal niet. Soms ging het over een elementair deeltje dat al in 1927 voorspeld was (door de Italiaanse natuurkundige Ettore Majorana), en een andere keer werd een Majorana voorgesteld als een ‘exotische quantumtoestand’. Ongeacht de verschillen in omschrijving was iedereen het eens over het belangrijkste kenmerk van Majorana’s: de stabiliteit. Die kwaliteit leek ze bij uitstek geschikt te maken om qubits (quantumbits) mee te bouwen, de bouwstenen van een quantumcomputer.

‘We hopen onze inspanningen weer te kunnen focussen’

In 2018 ging bij QuTech de vlag uit – in dit Delftse privaat-publieke onderzoeksinstituut was vanaf 2013 al het quantumcomputeronderzoek ondergebracht. Na zes jaar was het gelukt om Majorana’s definitief aan te tonen, juichten de onderzoekers in Nature. Daarmee lag de weg open voor de productie van Majorana-qubits.

Twee jaar later echter zagen QuTech onderzoekers zich genoodzaakt om de gevierde Nature–publicatie in te trekken omdat er fouten waren ontdekt in de behandeling van de meetgegevens. Het vertrouwen in de schemerige elementaire deeltjes verdampte sneller dan gemorste stikstof op een laboratoriumvloer. Een tweede intrekking volgde, er werd een integriteitsonderzoek ingesteld en Leo Kouwenhoven kreeg ontslag als directeur van het Microsoft Quantum Lab. Het kaartenhuis van de Majorana’s stortte ineen.

Back to basics
Een kleine drie jaar later is uit de ruïnes een nieuwe Majorana-publicatie in Nature verschenen: Realization of a minimal Kitaev chain in coupled quantum dots. Sommige van de auteurs kennen we nog van de teruggetrokken artikelen: Guanzhong Wang en Leo Kouwenhoven.

“Na de intrekking was het onderzoeksveld in crisis”, vertelt Tom Dvir, de eerste auteur van het nieuwe artikel. “We hopen dat onze nieuwe vinding helpt om onze inspanningen weer te focussen.”

Wat is er zo nieuw aan deze vinding? Misschien was de aanvankelijke constructie met een nanodraad op een chip die contact maakt met een supergeleider wel te ingewikkeld, bedachten Dvir en Wang. Misschien lukte het daarom niet om de metingen te herhalen. Dus besloten ze terug te vallen op de eenvoudigst denkbare constructie voor Majorana’s: een halfgeleider nanodraad van 100 nanometer dik met daar overheen een klein stukje aluminiumcoating als supergeleider. Elektroden onder de nanodraad isoleren stukjes van de draad van de rest. Dat worden dan quantumdots – kunstmatige nanostructuren met quantumeigenschappen.

^{Het huis van de Majorana’s bestaat uit twee quantumdots (omcirkeld) verbonden door een supergeleider (grijs vlak) op een nanodraad (groen horizontaal). (Foto: Tom Dvir/QuTech)}

Een oneindige reeks quantumdots verbonden door een supergeleider en een halfgeleider is een gegarandeerde manier om Majorana’s op te wekken, stelde de Russisch-Amerikaanse natuurkundige Alexei Yurievich Kitaev in 2001. “Maar omdat niemand destijds zulk materiaal kende, is er lange tijd niks mee gedaan”, vertelt Dvir nu. Twee natuurkundigen (Martin Leijnse van de universiteit van Lund en Karten Flensberg van het Nils Bohr Instituut) vertaalden Kitaevs oneindige ketting in een ‘keten’ van slechts twee quantumdots op een nanodraad. De Delftse onderzoekers pakten dat voorstel op als eenvoudigste manier om Majorana’s op te wekken.

‘We moeten Majorana’s kunnen manipuleren’

Met de Kitaev-keten in de cryostaat, de juiste spanning op de elektroden (‘gates’) en het magneetveld ingeschakeld zijn nu betrouwbaar Majorana’s op te wekken, laten de Delftse onderzoekers zien. In het lab wijst Wang ze aan als witte vlekjes op een computerscherm.

Het zijn Majorana’s, maar dan wel de Lada’s van het genre. Dat komt zo: Majorana’s danken hun stabiliteit aan de onderlinge afstand die bescherming biedt tegen lokale thermische en elektrische verstoringen. Maar deze Majorana’s zitten vlak bij elkaar en zijn daardoor minder beschermd tegen verstoringen. 

Hoe nu verder?
Om van deze poor man’s Majoranas (artikel in Physics) naar een functionele qubit te komen, vergt nog veel onderzoek. “Laten we duidelijk zijn: een qubit heeft minimaal vier Majorana’s nodig en liefst zes. Daarbij komt dat Majorana’s gewild zijn om hun stabiliteit, maar dat zijn deze nou juist niet. De manier om ze stabieler te krijgen. is door langere ketens te maken. We moeten de ketens dus verlengen én we moeten er meer van maken”, zegt Wang.

Dvir vertelt al te werken aan een verlengde Kitaev-keten met drie quantumdots in plaats van twee, maar dat moeten er misschien wel dubbel zoveel worden inclusief alle bijbehorende regelsystemen. Daar ligt nog heel wat werk.

“En om ermee te werken is het niet genoeg om Majorana’s op te wekken, we moeten Majorana’s ook kunnen manipuleren”, vertelt Wang. Maar dat zeiden onderzoekers tien jaar geleden toch ook al? “Exact”, zegt Wang. “Dat was toen de heilige graal. En dat is het nu nog steeds.”

‘We hebben geen vooroordeel ervaren’

Leo Kouwenhoven was niet bereikbaar voor commentaar. Hij staat als laatste auteur vermeld op de nieuwe Nature-publicatie. Was dat geen risico gezien de voorgeschiedenis? “Kouwenhoven is de hoofdonderzoeker van dit lab”, antwoordt Wang. “Het zou niet ethisch zijn om zijn naam weg te laten. Wij hebben ook geen vooroordeel ervaren. Er kwamen alleen vragen over de wetenschappelijke inhoud en dat waren allemaal faire vragen.”

Een woordvoerder van Nature antwoordt op de vraag van Delta naar het vertrouwen in de auteurs: ‘Om redenen van vertrouwelijkheid geven wij geen commentaar op de redactiegeschiedenis of het beoordelingsproces van specifieke papers die in het tijdschrift worden gepubliceerd. Alle ingediende manuscripten worden onafhankelijk beoordeeld op basis van de kwaliteit en actualiteit van hun wetenschap. We passen dezelfde redactionele principes toe op elke inzending die we ontvangen.’

• Verantwoording – Delta schreef in 2012 over de ontdekking van Majorana’s en over hoe die als qubits te gebruiken zouden zijn. In 2018 berichtten we over wat toen als definitieve doorbraak werd beschouwd. De TU Delft bracht er een episch persbericht over uit. Twee jaar later schreef Delta over de twijfels van de onderzoeksgroep en liet QuTech weten dat er onjuiste dataprocessing had plaatsgevonden. In 2021 volgden twee officiële terugtrekkingen van Nature publicaties. De eerste over de Majorana-metingen, de tweede over de gebruikte materialen. Het jaar daarop vertrok Kouwenhoven bij Microsoft. Enkele maanden later oordeelde integriteitscommissie Lowi dat Kouwenhoven en zijn postdoc Hao Zhang onzorgvuldig waren geweest.
• Aanvulling 13 maart 2023: Medeauteur Michael Wimmer meldt dat het peer-review verslag openbaar is en toegankelijk via een link op de Nature website.