 |
Topologikusan védett állapotoktól a topologikus kvantumszámítógépig
|
súgó 
nyomtatás 
|
Ezen az oldalon az NKFI Elektronikus Pályázatkezelő Rendszerében nyilvánosságra hozott projektjeit tekintheti meg.
vissza »
|
| |
Projekt adatai |
|
|
| azonosító |
124723 |
| típus |
FK |
| Vezető kutató |
Asbóth János Károly |
| magyar cím |
Topologikusan védett állapotoktól a topologikus kvantumszámítógépig |
| Angol cím |
From topologically protected states to topological quantum computation |
| magyar kulcsszavak |
topologikus állapotok, Majorana fermionok, topologikus rend, kvantumszámítógép, topologikus szigetelők, kétdimenziós anyagok |
| angol kulcsszavak |
topological states, Majorana fermions, topological order, quantum computing, topological insulators, two-dimensional materials |
| megadott besorolás |
| Fizika (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma) | 100 % | | Ortelius tudományág: Szilárdtestfizika |
|
| zsűri |
Műszaki és Természettudományi zsűrielnökök |
| Kutatóhely |
SZFI - Kvantumoptika és Kvantuminformatika Osztály (HUN-REN Wigner Fizikai Kutatóközpont) |
| résztvevők |
Boross Péter
Oroszlány László
Pályi András
Széchenyi Gábor
|
| projekt kezdete |
2017-10-01 |
| projekt vége |
2022-09-30 |
| aktuális összeg (MFt) |
33.478 |
| FTE (kutatóév egyenérték) |
9.75 |
| állapot |
lezárult projekt |
magyar összefoglaló A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A topologikus kvantumszámítógép, azaz a topologikus gerjesztések felhasználása kvantumos információ tárolására és feldolgozására, kulcsfontosságú szerepet tölt be a dekoherencia legyőzésében: ezen az úton remélhető nagyméretű kvantumszámítógép építése. A kvantuminformatika ezen megközelítése az ezredforduló környékén elindult elméleti elgondolásokból napjainkban már a kísérleti megvalósítás előszobájába lépett. Ebben fontos szerepe volt elméleti áttöréseknek, mint például a "surface code" protokoll, és a kísérleti eredményeknek, mint a Majoranna-fermionokat kimutató nanopálca kísérletek.
Elméleti kutatásunk célja hozzájárulni a topologikus kvantumszámítógépek megvalósításához. Tervezzük (1) topologikus kvantuminformáció-feldolgozásra alkalmas, újszerű topologikus fázisok felkutatását periodikusan gerjesztett rendszerekben, (2) Majorana-fermion alapú preciziós kvantuminformációs protokollok kidolgozását és (3) újfajta anyagok felkutatását, melyek a kvantuminformatika számára használható topologikus gerjesztéseket hordozhatnak.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
(1) A periodikus gerjesztés hatása kvantumrendszerekre - az alacsony frekvencia és erős gerjesztés szélsőséges határesetében - nem írható le perturbatív módszerekkel. Ugyanakkor ezen paramétertartományban újszerű és eddig még meg nem értett topologikus fázisok jelenlétére számos elméleti jóslat utal. Tervezzük ezen, eddig még csak részben feltárt rendszerekben a topologikus fázisok és a kvantumszámítás szempontjából fontos, topologikusan védett állapotok feltérképezését.
(2) Mivel a Majorana-fermionok kísérleti megvalósításának az egyszerű vezetési jelenségek nem adták teljesen egyértelmű bizonyítékát, a kísérletek új generációja a Majorana-fermionok fonását és fúziós szabályainak kísérleti ellenőrzését célozzák. A következő kérdéseket tervezzük kutatásainkban körüljárni: Mik az új generációs kísérletek lehetséges kimenetei? Hogyan lehet a kísérletekben fellépő dekoherenciát ellenőrzés alatt tartani és így jó minőségű kvantum-információfeldolgozásra alkalmas berendezéseket létrehozni?
(3) A Majorana-fermionok vizsgálatára elterjedt kísérleti architektúra, a nanopálcák skálázható kísérleti megvalósítását számos nehezen leküzdhető akadály nehezíti. A nanopálcákat potenciálisan kiváltó új anyagokat és kísérleti elrendezéseket tervezünk felkutatni, sűrűségfunkcionál-elméleti módszerek segítségével.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A kvantumszámítógépek kivételes számítási lehetőségei nemcsak a fizikai és kémiai kutatásban hoznak majd áttöréseket, hanem a társadalmunkra is nagy hatással lesznek, pl. számos elterjedt kriptográfiai protokoll feltörésével. Munkánkkal a topologikus kvantumszámítógépek elméletéhez járulunk hozzá, ami kulcsfontosságú a nagyméretű kvantumszámítógép építéséhez. Új elméleti irányokat mutatunk, a létező kísérletek korlátait tisztázzuk, és javaslunk új anyagokat jövőbeli kísérletekhez. Elméleti kompetenciánkat mutatja, hogy - tudomásunk szerint Magyarországon egyedüliként - egyetemi kurzusokat tartunk topologikus szigetelőkről évek óta az ELTÉ-n, ezenkívül pl. megmutattuk, hogyan limitálja a spindekoherencia a vezető kvantumszámítógép-architektúrák egyikének működését. Numerikus kompetenciánk bizonyítéka, hogy részt vettünk több, kvantummechanikát használó, elméleti anyagtudományi programcsomag fejlesztésében. Ezen kompetenciák kombinációja, valamint erős kapcsolataink külföldi és magyar kísérleti csoportokkal, kivételesen hatékonnyá tesz minket a kitűzött célok elérésében.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A kvantumszámítógépek, ha majd megvalósulnak, nagy hatással lesznek a társadalmunkra: olyan számítási feladatok kezelhetők velük, amik a mai technológia számára elérhetetlenek. Ehhez azonban az információt egy ilyen gépben el kell rejteni a környezet káros hatásai elől. Ugyanakkor a gép üzemeltetője számára lehetővé kell tenni, hogy az információt manipulálja. Ezen kettős cél elérésének legígéretesebb útja a topologikus kvantumszámítógép. Itt a számítógép egy elemi kvantumbitek összekötésével létrehozott hálózat. A kötések mentén erős kölcsönhatások segítségével lehet elrejteni a kvantuminformációt a környezet elől, ezen bitek közötti kvantumos korrelációkban. Az így kódolt információt a hálózat átkonfigurálásával lehet manipulálni, a hálózat topologikus hibáinak "fonásával". Bár a szükséges elemi összetevőket külön-külön megvalósították, valóban hasznos méretű kvantumszámítógépet még nem sikerült építeni.
Tervezett elméleti kutatásunkkal a nagyméretű topologikus kvantumszámítógépek építésének céljához járulunk hozzá. (1) Új utakat nyitunk meg a szükséges, ún. topologikus kvantumállapotok létrehozásához és fenntartásához, periodikus gerjesztések segítségével. (2) Elméleti modellek segítségével hozzájárulunk az egyik legígéretesebb hardware fejlesztéséhez (Majorana- fermionok nanopálcákon). (3) Javasolunk új anyagokat, amik a nanodrótoknál alkalmasabbak hálózatok létrehozására a a Majorana-fermionos architektúrában.
Bár kutatásunk tisztán elméleti, jelentős részében azon valóságos problémákon dolgozunk, amik visszatartják a mai legjobb kísérleteket attól, hogy egy skálázható kvantumszámítógépet tudjanak építeni.
| angol összefoglaló Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Topological quantum computation, the use of topological excitations to store and process quantum information, is a crucial tool to defeat decoherence and achieve large-scale quantum computation. From the theoretical ideas proposed around 2000, this approach is close to becoming an experimental reality, due to key theoretical advances such as the surface code protocol and to outstanding experimental achievements, notably the realization of Majorana fermions in quantum wires. Our theoretical proposal plans to contribute to the realization of topological quantum computing. We plan to (1) explore novel topological phases created by periodic driving, which could be useful for topological quantum computation, (2) suggest routes to high-precision quantum information protocols based on Majorana fermions and (3) propose new materials that can host topological excitations useful for quantum computation.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
(1) Periodic driving of a quantum system, in the extreme limit of low frequency and high intensity, cannot be treated using the standard perturbation theories. In this limit, some novel and only partially understood topological phases of matter have been predicted. We plan to use this opportunity to explore new paths to topological states and phases, potentially useful for quantum computation. (2) Since transport signatures of Majorana fermions are highly contested, a new generation of experiments plan to explore their signatures using braiding and fusion. We address the questions: What are the realistic outcomes in such experiments? How to design the devices and control schemes to mitigate decoherence and ensure high-fidelity operation? (3) The use of nanowires for Majorana fermions faces several challenges related to fabrication difficulties. We plan to explore alternative host materials using state-of-the-art ab initio calculations.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Quantum computers, with their unique computational abilities are expected not only to enable breakthroughs in physics and chemistry, but also to have a transformative impact on society (for example by breaking many encryption protocols). Our work contributes to topological quantum computation, a crucial step of realizing large-scale quantum computers, by exploring new theoretical directions as well as clarifying the physical processes limiting existing experiments and proposing new materials for future ones. We have demonstrated our solid foundations in topological insulators by years of lecturing on the topic (the only course on topological insulators in Hungary), in environmental decoherence processes through previous work on spin dephasing in one of the prominent quantum computer architectures, and on computational material research by contributing to the development of computational packages that use quantum mechanics. The combination of these competences make us uniquely positioned to make substantial advances. We also benefit from close collaboration with some of the leading experimental groups, both abroad and in-house.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Quantum computers, if realized, will have a transformative impact on our society by bringing some presently impossible computational problems within reach. To fulfil this aim, the quantum information stored in them needs to be "hidden" from detrimental effects of the environment, and at the same time be accessible to the operator of the computer for manipulation. The most viable path towards this aim is topological quantum computation, where the computer consists of a network of elementary parts (quantum bits), which can be reconfigured by changing in time the links connecting the quantum bits. Strong interactions along the links are used to hide the quantum information in correlations between the quantum bits, and the manipulation of this hidden quantum information is done by reconfiguring the network, "braiding" topological defects in it. Although the basic ingredients necessary for such a quantum computer have all been experimentally demonstrated, building a large-scale quantum computer has so far proved elusive.
Our theoretical research contributes to reaching the aim of large-scale topological quantum computation by (1) exploring new ways to create and stabilize so-called topological states by periodic driving of quantum systems, (2) improving theoretical models of a type of hardware used for topological quantum computation, Majorana fermions on nanowires, and (3) exploring new materials that are more suitable for construction of a network than the aforementioned nanowires.
Although this is a theoretical proposal, in a large part it addresses the very real problems holding the cutting edge present-day experiments back from realizing a scalable quantum computer.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
Közleményjegyzék |
|
|
| Bálint Fülöp, Zoltán Tajkov, János Pető, Péter Kun, János Koltai, László Oroszlány, Endre Tóvári, Hiroshi Murakawa, Yoshinori Tokura, Sándor Bordács, Levente Tapasztó and Szabolcs Csonka: Exfoliation of single layer BiTeI flakes, 2D Materials 5, 3, 2018 | | L Oroszlány, B Dóra, J Cserti, and A Cortijo: Topological and trivial magnetic oscillations in nodal loop semimetals, Phys. Rev. B 97, 205107, 2018 | | J. V. Koski, A. J. Landig, A. Pályi, P. Scarlino, C. Reichl, W. Wegscheider, G. Burkard, A. Wallraff, K. Ensslin, T. Ihn: Floquet spectroscopy of a strongly driven quantum dot charge qubit with a microwave resonator, Phys. Rev. Lett. 121, 043603 (2018), 2018 | | László Oroszlány, Jaime Ferrer, András Deák, László Udvardi, and László Szunyogh: Exchange interactions from a nonorthogonal basis set: From bulk ferromagnets to the magnetism in low-dimensional graphene systems, Phys. Rev. B 99, 224412, 2019 | | Zoltán Tajkov, Dávid Visontai, László Oroszlány, János Koltai: Uniaxial strain induced topological phase transition in bismuth–tellurohalide–graphene heterostructures, Nanoscale 11, 12704, 2019 | | Zoltán Tajkov, Dávid Visontai, László Oroszlány, János Koltai: Topological Phase Diagram of BiTeX–Graphene Hybrid Structures, https://www.mdpi.com/2076-3417/9/20/4330, 2019 | | Péter Boross, János K. Asbóth, Gábor Széchenyi, László Oroszlány, and András Pályi: Poor man's topological quantum gate based on the Su-Schrieffer-Heeger model, Phys. Rev. B 100, 045414, 2019 | | Zoltán Scherübl, András Pályi, György Frank, István Lukács, Gergő Fülöp, Bálint Fülöp, Jesper Nygård, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Gergely Zaránd, Szabolcs Csonka: Observation of spin–orbit coupling induced Weyl points in a two-electron double quantum dot, Communications Physics 2, 108 (2019), 2019 | | Zoltán Tajkov, János Koltai, József Cserti, and László Oroszlány: Competition of topological and topologically trivial phases in patterned graphene based heterostructures, Phys. Rev. B 101, 235146, 2020 | | György Frank, Zoltán Scherübl, Szabolcs Csonka, Gergely Zaránd, and András Pályi: Magnetic degeneracy points in interacting two-spin systems: Geometrical patterns, topological charge distributions, and their stability, Phys. Rev. B 101, 245409, 2020 | | Gábor Széchenyi and András Pályi: Parity-to-charge conversion for readout of topological Majorana qubits, https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.101.235441, 2020 | | Hui Liu, Ion Cosma Fulga, and János K. Asbóth: Anomalous levitation and annihilation in Floquet topological insulators, Phys. Rev. Research 2, 022048(R), 2020 | | János K. Asbóth, Arindam Mallick: Topological delocalization in the completely disordered two-dimensional quantum walk, Phys. Rev. B 102, 224202, 2020 | | Vahid Derakhshan Maman, M.F. Gonzalez-Zalba, and András Pályi: Charge Noise and Overdrive Errors in Dispersive Readout of Charge, Spin, and Majorana Qubits, Phys. Rev. Applied 14, 064024, 2020 | | Daniël Bouman, Ruben J. J. van Gulik, Gorm Steffensen, Dávid Pataki, Péter Boross, Peter Krogstrup, Jesper Nygård, Jens Paaske, András Pályi, and Attila Geresdi: Triplet-blockaded Josephson supercurrent in double quantum dots, Phys. Rev. B 102, 220505(R), 2020 | | Muhammad Sajid, János K. Asbóth, Dieter Meschede, Reinhard F. Werner, and Andrea Alberti: Creating anomalous Floquet Chern insulators with magnetic quantum walks, Phys. Rev. B 99, 214303, 2019 | | Hugo Perrin, János K. Asbóth, Jean-Noël Fuchs, and Rémy Mosseri: Two particles on a chain with disordered interaction: Localization and dissociation of bound states and mapping to chaotic billiards, Phys. Rev. B 104, 205408, 2021 | | Zoltán Tajkov, Dániel Nagy, Konrád Kandrai, János Koltai, László Oroszlány, Péter Süle, Zsolt E. Horváth, Péter Vancsó, Levente Tapasztó, and Péter Nemes-Incze: Revealing the topological phase diagram of ZrTe5 using the complex strain fields of microbubbles, npj Computational Materials 8, 177, 2022 | | György Frank, Dániel Varjas, Péter Vrana, Gergő Pintér, and András Pályi: Topological charge distributions of an interacting two-spin system, Phys. Rev. B 105, 035414, 2022 | | Péter Boross and András Pályi: Dephasing of Majorana qubits due to quasistatic disorder, Phys. Rev. B 105, 035413, 2022 | | Zoltán György, András Pályi, Gábor Széchenyi: Electrically driven spin resonance with bichromatic driving, accepted to Phys. Rev. B, arXiv:2206.00399, 2022 | | Zoltán Okvátovity, László Oroszlány, and Balázs Dóra: Time-dependent electric transport in nodal loop semimetals, Phys. Rev. B 104, 035130, 2021 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
