 |
Ezen az oldalon az NKFI Elektronikus Pályázatkezelő Rendszerében nyilvánosságra hozott projektjeit tekintheti meg.
vissza »
|
 |
Projekt adatai |
|
|
| azonosító |
132146 |
| típus |
FK |
| Vezető kutató |
Pályi András |
| magyar cím |
Kölcsönható rendszerek topologikus tulajdonságai |
| Angol cím |
Topological properties of interacting systems |
| magyar kulcsszavak |
spin, kvantumdot, spin-pálya-kölcsönhatás, kicserélődési kölcsönhatás, topológia, Chern-szám, kvantumbit |
| angol kulcsszavak |
spin, quantum dot, spin-orbit interaction, exchange interaction, topology, Chern number, quantum bit |
| megadott besorolás |
| Fizika (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma) | 100 % | | Ortelius tudományág: Kvantummechanika |
|
| zsűri |
Fizika 1 |
| Kutatóhely |
Elméleti Fizika Tanszék (Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem) |
| résztvevők |
Asbóth János Károly
Boross Péter
Derakhshanmaman Vahid
Frank György
Fülöp Gergő
Pintér Gergő
Széchenyi Gábor
Zaránd Gergely Attila
|
| projekt kezdete |
2019-12-01 |
| projekt vége |
2023-11-30 |
| aktuális összeg (MFt) |
39.908 |
| FTE (kutatóév egyenérték) |
15.04 |
| állapot |
lezárult projekt |
magyar összefoglaló A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A kisméretű koherens kvantumrendszerek egyik jellemzője a diszkrét energiaspektrum. Ez a spektrum függ a kontrollparaméterektől: például egy mágneses térbe helyezett spinnek két energia-sajátállapota van, és az energiájuk különbsége függ a mágneses tér erősségétől. Leginkább Michael Berry munkájának nyomán világossá vált, hogy a paraméterfüggő energia-sajátállapotok rendelkeznek egy topológiai struktúrával is, amely a Berry-fázis, a Berry-görbület, a Chern-szám és még általánosabban a kvantum metrikus tenzor tensor fogalmaival jellemezhető. Ezek a topologikus struktúrák alapvető fontossággal bírnak a kvantummechanikán alapuló technológiák szempontjából. Ebben a projektben a fő célunk hogy olyan áttörő felfedezéseket tegyünk, melyekben ezek a topológiai struktúrák megmérhetők egy néhány spin által alkotott valódi kvantumrendszerben. Építeni fogunk a saját friss elméleti-kísérleti eredményeinkre, amelyben egy egyszerű, kettős kvantumdotban létrehozott kétspin-rendszerben azonosítottunk topologikus töltéssel bíró mágneses degenerációs pontokat. Új kísérleteket és elméleti kutatásokat fogunk végezni, hogy megtaláljuk a legjobb nanoszerkezeteket és mérési módszereket, amik hitelesen mutatják ki ezeknek a topológiai struktúráknak a létezését és a konkrét jellegét.
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.
Izolált, teljesen koherens kvantumrendszerek a várakozás szerint egy topologikus szerkezettel is rendelkeznek, és ezen topologikus védettség révén a mikroszkopikus részletektől független jelenségeket mutathatnak. A spin-qubitek területe egy olyan kutatási irány, amelyben jól izolált, erősen koherens rendszerek hozhatók létre. Ezen a területen a fejlesztéseket elsősorban a kvantumszámítás célja inspirálja. Ennek ellenére ugyanez az eszköztár használható a rejtett topológiai szerkezet fundamentális felfedezéséhez is. Ebben a projektben a fő kérdéseink: A jelenlegi legfejlettebb spin-qubit rendszerek alkalmasak-e arra, hogy bennük mérhetővé váljon az őket leíró modellek topologikus szerkezete? Melyik anyag, melyik nanoszerkezet, és melyik kísérleti módszer a legjobb a kvantált, egész-értékű topologikus invariánsok megmérésére? Ad-e a dekoherencia újszerű jelenségeket ezekben a rendszerekben?
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!
Ez a kutatás új perspektívákat nyit a vezérelhető, koherens, kölcsönható kvantumrendszerek területén. A projekt jelentősége két pontban összegezhető: (1) Kutatásunk új, robosztus kvantumfizikai jelenségeket fog feltárni, melyek függetlenek az adott fizikai rendszermikroszkopikus részleteitől, hasonlóan például a kvantumos Hall-jelenséghez. (2) Az izolált kvantumrendszerek topologikus struktúráinak kísérleti leképezése alapvető fontosságú a kvantum-technológiai alkalmazások számára, hiszen ezek a struktúrák kulcsszerepet játszanak a koherens kontroll és a dekoherencia folyamataiban is. Ennélfogva a kutatásunkban szerzett ismeretek a kvantummechanikai rendszerek hatékonyabb vezérlését segítik elő, aminek lehet lényeges társadalmi hatása a kvantumos technológiákon keresztül, pl. érzékeny szenzorok vagy kvantumszámítógépek megalapozása révén. Kiemelkedő pozitívuma a projektnek, hogy erősen interdiszciplináris: összeköti a matematikai fizika új és élénk területeit a szilárdtest-elmélet és a kvanuminformáció-elmélet fogalmaival, illetve mezoszkopikus elektronikai kísérletekkel. A vezető kutató jártas a szilárdtestek topologikus tulajdonságainak és a spin-alapú kvantumbiteknek az elméletében, míg a kutatás szenior résztvevői erős hátérrel rendelkeznek a mezoszkopikus fizika, az erősen korrelált elektronrendszerek, és a topologikus kvantumrendszerek területein, ami egy optimális, sokrétű háttértudást biztosít egy sikeres, hatásos kutatási projekthez.
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.
Projektünk célja, hogy elősegítse a kvantummechanika törvényei szerint működő, ember által készített, nanométer méretű mesterséges atomok viselkedésének megértését. Ezeket a rendszereket általában fejlett mintakészítési technológiákkal hozzuk létre, extrém alacsony hőmérsékletre hűtjük le, és komplex elektronikai áramkörbe ágyazzuk be, hogy feltárhassuk kvantumos viselkedésüket. Ilyen rendszereket fogunk vizsgálni mind elméletileg, mind kísérletileg. Egy további fontos célunk, hogy olyan kísérleteket dolgozzunk ki, melyekben ezeknek a rendszereknek a kvantumos viselkedését újszerű módokon vezéreljük és mérjük. A laikusok számára releváns hozadékként eredményeink várhatóan hozzájárulnak a kvantumtechnológiák, pl. érzékeny mérőeszközök vagy hatékony számítógépek, további fejlődéséhez.
| angol összefoglaló Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Confined coherent quantum systems are characterized by a discrete energy spectrum. This spectrum depends on external parameters: for example, for a spin in a magnetic field, there are two energy eigenstates, and their energy distance depends on the length of the magnetic field vector. Mostly due to the seminal work of Michael Berry, it became known that the parameter-dependent energy eigenstates also carry a topological structure, which is characterized by concepts such as the Berry phase, the Berry curvature, the Chern number, and the quantum geometric tensor. These topological structures are fundamentally important for any application in quantum technology. In this project, our primary goal is to foster breakthrough discoveries where these topological structures are measured in coherent quantum systems. We will capitalize on our recent joint theoretical-experimental results, where we have identified topologically charged magnetic degeneracy points (Weyl points) of a spin-orbit-coupled two-spin system realized in a double quantum dot. We will perform new experiments, and carry out theory work to find the best nanostructures and measurement methods providing smoking-gun signatures of the existence and qualities of these topological structures.
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.
Isolated, fully coherent quantum systems are expected to possess a topological structure, and consequently, can exhibit robust phenomena independent of microscopic details due to topological protection. One research front in quantum physics where a high degree of isolation and coherence can be achieved experimentally is that of spin qubits. In this field, advancements have been driven mainly by the goal of quantum computing. However, the toolkit developed for spin qubits can also be used for the fundamental exploration of the otherwise hidden topological structure of few-spin systems. Our key questions in this project are: Are state-of-the-art spin qubit devices sufficiently coherent that the topological structures of the underlying models can be measured? Which material, which nanostructure, which experimental methodology is suitable to allow for a measurement of the quantized, integer-valued topological invariants? How severe is the effect of dissipation in obstructing the measurements? Does dissipation enrich the topological properties, as anticipated from earlier studies of non-Hermitian systems?
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.
This research opens a new window on the dynamics of well-controlled, highly coherent interacting quantum systems. In particular, the significance of the project is summarized in two points: (1) Our research will reveal novel quantum-physical phenomena that are robust, i.e., independent of microscopic details of the physical system, akin to canonical phenomena such as the Quantum Hall Effect. (2) Mapping the topological characteristics of isolated quantum systems is essential for quantum technologies, since these structures play key roles in both coherent control and decoherence. Therefore, the understanding gained here will improve the control of quantum systems, which can have profound influences on society via quantum-enhanced technologies, such as quantum computers or ultra-sensitive measurement tools. A unique strength of the project is the interdisciplinary nature: it connects new and lively areas of mathematical physics, condensed-matter theory, quantum information, and mesoscopic electronics. The PI have been working at the interface of topological condensed-matter physics and spin qubits, the senior participants have backgrounds in mesoscopic physics, strongly correlated systems, and topological quantum systems, providing an optimal blend to make this proposal successful and impactful.
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.
Our project aims at deepening the understanding of man-made, nanometer-sized artificial atoms, whose behavior follows quantum mechanics. These systems are usually made via a sophisticated manufacturing procedure, cooled down to extremely low temperatures, and embedded into a complex electronic circuit that allows for the measurement of the quantum dynamics. We will study these quantum devices both theoretically and experimentally. A further important goal of this project is to foster advanced experiments, where the quantum behavior of these systems is controlled and measured in qualitatively new ways. For the general public, the results might be relevant if the results lead to advancements in quantum technologies, such as ultra-sensitive measurement apparatuses, or efficient computers.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
Közleményjegyzék |
|
|
| Valentin John, Francesco Borsoi, Zoltán György, Chien-An Wang, Gábor Széchenyi, Floor van Riggelen, William I. L. Lawrie, Nico W. Hendrickx, Amir Sammak, Giordano Scappucci, András Pályi, Menno Veldhorst: Bichromatic Rabi control of semiconductor qubits, Physical Review Letters (közlésre elfogadva/accepted for publication), 2023 | | György Frank, Gergő Pintér, András Pályi: Singularity theory of Weyl-point creation and annihilation, https://arxiv.org/abs/2309.05506, 2023 | | Baksa Kolok, András Pályi: Protocols to measure the non-Abelian Berry phase by pumping a spin qubit through a quantum-dot loop, https://arxiv.org/abs/2308.05455, 2023 | | Aritra Sen, György Frank, Baksa Kolok, Jeroen Danon, András Pályi: Classification and magic magnetic-field directions for spin-orbit-coupled double quantum dots, Physical Review B 108, 245406, 2023 | | Zoltán Guba, György Frank, Gergő Pintér, András Pályi: Weyl points in ball-and-spring mechanical systems, https://arxiv.org/abs/2302.08241, 2023 | | Áron Rozgonyi, Gábor Széchenyi: Break-even point of the quantum repetition code, New Journal of Physics 25, 103004, 2023 | | Gergő Pintér, András Sándor: Cross-caps, triple points and a linking invariant for finitely determined germs, Revista Matematica Complutense, 2023 | | Áron Márton, János Asbóth: Coherent errors and readout errors in the surface code, Quantum 7, 1116, 2023 | | András Grabarits, Attila Takács, Ion Cosma Fulga, János K. Asbóth: Floquet-Anderson localization in the Thouless pump and how to avoid it, https://arxiv.org/abs/2309.12882, 2023 | | Hui Liu, Cosma Fulga, Emil J. Bergholtz, Janos Asboth: Topological fine structure of an energy band, https://arxiv.org/abs/2312.08436, 2023 | | Dominik Szombathy, Miklós Antal Werner, Cătălin Paşcu Moca, Örs Legeza, Assaf Hamo, Shahal Ilani, Gergely Zaránd: Collective Wigner crystal tunneling in carbon nanotubes, https://arxiv.org/abs/2306.15985, 2023 | | Roy Haller, Melissa Osterwalder, Gergő Fülöp, Joost Ridderbos, Minkyung Jung, Christian Schönenberger: AC Josephson effect in a gate-tunable Cd3As2 nanowire superconducting weak link, Physical Review B 108, 094514, 2023 | | Mátyás Kocsis, Zoltán Scherübl, Gergő Fülöp, Péter Makk, Szabolcs Csonka: Strong nonlocal tuning of the current-phase relation of a quantum dot based Andreev molecule, https://arxiv.org/abs/2303.14842, 2023 | | Péter Boross, András Pályi: Braiding-based quantum control of a Majorana qubit built from quantum dots, https://arxiv.org/abs/2305.08464, 2023 | | Gábor Széchenyi, András Pályi: Parity-to-charge conversion for readout of topological Majorana qubits, Phys. Rev. B 101, 235441, 2020 | | Catalin Pascu Moca, Wataru Izumida, Balázs Dóra, Örs Legeza, János K. Asbóth, Gergely Zaránd: Topologically Protected Correlated End Spin Formation in Carbon Nanotubes, Phys. Rev. Lett. 125, 056401, 2020 | | Péter Boross, András Pályi: Dephasing of Majorana qubits due to quasistatic disorder, https://arxiv.org/abs/2106.15679, 2021 | | Zoltán Scherübl, Gergő Fülöp, Jörg Gramich, András Pályi, Christian Schönenberger, Jesper Nygård, Szabolcs Csonka: From Cooper pair splitting to the non-local spectroscopy of a Shiba state, https://arxiv.org/abs/2108.12155, 2021 | | Roy Haller, Gergő Fülöp, David Indolese, Joost Ridderbos, Rainer Kraft, Luk Yi Cheung, Jann Hinnerk Ungerer, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Detlef Beckmann, Romain Danneau, Pauli Virtanen, Christian Schönenberger: Phase-dependent microwave response of a graphene Josephson junction, https://arxiv.org/abs/2108.00989, 2021 | | Catalin Pascu Moca, Ireneusz Weynmann, Miklos Antal Werner, Gergely Zarand: Kondo Cloud in a Superconductor, Phys. Rev. Lett. 127, 186804, 2021 | | Alexander-Georg Penner, Felix von Oppen, Gergely Zaránd, and Martin R. Zirnbauer: Hilbert Space Geometry of Random Matrix Eigenstates, Phys. Rev. Lett. 126, 200604, 2021 | | György Frank, Dániel Varjas, Gergő Pintér, András Pályi: Weyl-point teleportation, https://arxiv.org/abs/2112.14556, 2021 | | György Frank, Dániel Varjas, Péter Vrana, Gergő Pintér, András Pályi: Topological charge distributions of an interacting two-spin system, Physical Review B 105, 035414, 2022 | | Péter Boross, András Pályi: Dephasing of Majorana qubits due to quasistatic disorder, Physical Review B 105, 035413, 2022 | | Zoltán Scherübl, Gergő Fülöp, Jörg Gramich, András Pályi, Christian Schönenberger, Jesper Nygård, Szabolcs Csonka: From Cooper pair splitting to the non-local spectroscopy of a Shiba state, Physical Review Research 4, 023143, 2022 | | Roy Haller, Gergő Fülöp, David Indolese, Joost Ridderbos, Rainer Kraft, Luk Yi Cheung, Jann Hinnerk Ungerer, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Detlef Beckmann, Romain Danneau, Pauli Virtanen, Christian Schönenberger: Phase-dependent microwave response of a graphene Josephson junction, Physical Review Research 4, 013198, 2022 | | F. K. Malinowski, R. K. Rupesh, L. Pavesic, Z. Guba, D. de Jong, L. Han, C. G. Prosko, M. Chan, Y. Liu, P. Krogstrup, A. Palyi, R. Zitko, J. V. Koski: Quantum capacitance of a superconducting subgap state in an electrostatically floating dot-island, https://arxiv.org/abs/2210.01519, 2022 | | Z. Gyorgy, A. Palyi, G. Szechenyi: Electrically driven spin resonance with bichromatic driving, https://arxiv.org/abs/2206.00399, 2022 | | G. Pinter, Gy. Frank, D. Varjas, A. Palyi: Birth Quota of Non-Generic Degeneracy Points, https://arxiv.org/abs/2202.05825, 2022 | | O. Kürtössy, Z. Scherübl, G. Fülöp, I. E. Lukács, T. Kanne, J. Nygård, P. Makk, Sz. Csonka: Parallel InAs nanowires for Cooper pair splitters with Coulomb repulsion, https://arxiv.org/abs/2203.14397, 2022 | | B. Ostahie, D. Sticlet, C. P. Moca, B. Dóra, M. A. Werner, J. K. Asbóth, G. Zaránd: Multiparticle quantum walk: a dynamical probe of topological many-body excitations, https://arxiv.org/abs/2209.03569, 2022 | | György Frank, Zoltán Scherübl, Szabolcs Csonka, Gergely Zaránd, András Pályi: Magnetic degeneracy points in interacting two-spin systems: Geometrical patterns, topological charge distributions, and their stability, Phys. Rev. B 101, 245409, 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 | | Catalin Pascu Moca, Wataru Izumida, Balázs Dóra, Örs Legeza, János K. Asbóth, Gergely Zaránd: Topologically Protected Correlated End Spin Formation in Carbon Nanotubes, Phys. Rev. Lett. 125, 056401, 2020 | | Daniël Bouman, Ruben J. J. van Gulik, Gorm Steffensen, Dávid Pataki, Péter Boross, Peter Krogstrup, Jesper Nygård, Jens Paaske, András Pályi, Attila Geresdi: Triplet-blockaded Josephson supercurrent in double quantum dots, Phys. Rev. B 102, 220505(R), 2020 | | Catalin Pascu Moca, Ireneusz Weynmann, Miklos Antal Werner, Gergely Zarand: Kondo Cloud in a Superconductor, Phys. Rev. Lett. 127, 186804, 2021 | | Alexander-Georg Penner, Felix von Oppen, Gergely Zaránd, and Martin R. Zirnbauer: Hilbert Space Geometry of Random Matrix Eigenstates, Phys. Rev. Lett. 126, 200604, 2021 | | Z. Gyorgy, A. Palyi, G. Szechenyi: Electrically driven spin resonance with bichromatic driving, Physical Review B 106, 155412, 2022 | | O. Kürtössy, Z. Scherübl, G. Fülöp, I. E. Lukács, T. Kanne, J. Nygård, P. Makk, Sz. Csonka: Parallel InAs nanowires for Cooper pair splitters with Coulomb repulsion, npj Quantum Materials 7, 88, 2022 | | Gábor Széchenyi, András Pályi: Parity-to-charge conversion for readout of topological Majorana qubits, Phys. Rev. B 101, 235441, 2020 | | György Frank, Zoltán Scherübl, Szabolcs Csonka, Gergely Zaránd, András Pályi: Magnetic degeneracy points in interacting two-spin systems: Geometrical patterns, topological charge distributions, and their stability, Phys. Rev. B 101, 245409, 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 | | Catalin Pascu Moca, Wataru Izumida, Balázs Dóra, Örs Legeza, János K. Asbóth, Gergely Zaránd: Topologically Protected Correlated End Spin Formation in Carbon Nanotubes, Phys. Rev. Lett. 125, 056401, 2020 | | György Frank, Dániel Varjas, Péter Vrana, Gergő Pintér, András Pályi: Topological charge distributions of an interacting two-spin system, https://arxiv.org/abs/2012.14357, 2020 | | Daniël Bouman, Ruben J. J. van Gulik, Gorm Steffensen, Dávid Pataki, Péter Boross, Peter Krogstrup, Jesper Nygård, Jens Paaske, András Pályi, Attila Geresdi: Triplet-blockaded Josephson supercurrent in double quantum dots, Phys. Rev. B 102, 220505(R), 2020 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
