【解放日報】向拓撲量子計算邁出重要一步,我國科學家破解馬約拉納領域亟待解決的一大問題
2022-06-10
文章來源: 解放日報

具有里程碑意義

相比傳統計算機,量子計算機可突破物理極限,解決大規模計算難題。歐美等國政府和科技頭部企業因此投入了巨大的人力、物力和財力發展量子計算。量子計算的主要挑戰在于量子態很容易受環境的干擾,計算過程中會不斷地產生錯誤。而由“馬約拉納零能?!苯M成的拓撲量子比特可以從原理上解決量子計算無法避免的這一問題。

解放日報·上觀新聞記者獲悉,日前,中國科學院物理研究所的高鴻鈞研究組、靳常青研究組與美國波士頓學院的汪自強合作,實現了大面積、高度有序和可調控的“馬約拉納零能?!备顸c陣列,向拓撲量子計算的實現邁出了重要一步,具有里程碑意義。2022年6月8日,該研究成果在國際權威學術期刊《自然》發表。

【實現拓撲量子計算的重要途徑】

“道生一,一生二,二生三,三生萬物”,這是古人對世界的認知和理解。對物理學家而言,世間萬物都是可以拆分的:一個水滴,可以拆分為很多水分子;一個水分子,可以拆分為兩個氫原子和一個氧原子;一個原子,可以拆分為電子、夸克等微觀粒子。拆分到最后,物理學家發現所謂的“萬物”,其實都是由60多種基本粒子構成。對這60多種基本粒子及其性質的探索發現,便是物理學家所追求的“道”。

這些基本粒子按照統計規律的不同可以劃分為玻色子和費米子兩大類,例如人們所熟知的光子屬于玻色子,電子屬于費米子。對于費米子而言,大多數的費米子的反粒子與它本身不同,這類費米子被稱為“狄拉克費米子”,以著名物理學家保羅?狄拉克命名。

還有另一種神奇的費米子,它的反粒子就是它本身,這種基本粒子叫做“馬約拉納費米子”,由意大利物理學家埃托雷?馬約拉納在1937年理論預言。然而在其預言后的80多年時間里,粒子物理學家始終未能在廣袤宇宙中找到該粒子存在的確切證據。

在物理學的另一大分支——凝聚態物理領域,理論學家預言,在固體材料中可能會出現與“馬約拉納費米子”類似的粒子,這種粒子被稱為“馬約拉納準粒子”或“馬約拉納零能?!??!榜R約拉納零能?!钡慕y計規律既不像玻色子,也不像費米子,被認為是實現拓撲量子計算的重要途徑。

【亟待解決的問題之一】

2018年,高鴻鈞研究團隊與丁洪研究團隊合作,首次在鐵基超導材料中觀測到“馬約拉納零能?!?。2020年,他們給出了鐵基超導體中存在“馬約拉納零能?!钡年P鍵性實驗證據,進一步證明“馬約拉納零能?!钡拇嬖?。

如何突破研究瓶頸,獲得大面積、高度有序且可調控的“馬約拉納零能?!标嚵?,向拓撲量子計算更進一步,是當前鐵基超導馬約拉納領域亟待解決的問題之一。


中科院物理研究所科研團隊

最近,高鴻鈞研究員帶領的聯合團隊在鐵基超導材料鋰鐵砷中首次實現了大面積、高度有序和可調控的“馬約拉納零能?!备顸c陣列,并觀測到了調控引起的“馬約拉納零能?!毕嗷プ饔?,為下一步實現“馬約拉納零能?!钡木幙椧约巴負淞孔佑嬎愕於藞詫嵉幕A。

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