【文匯報】構建未來量子計算“基石”曙光初現,科學家首次實現可調控馬約拉納零能模格點陣列
2022-06-10
文章來源: 文匯報

當目前的量子計算在努力突破容錯性、退相干等發展瓶頸時,物理學家向更可靠、更穩定的未來量子技術——拓撲量子計算的實現,邁出了重要一步。

6月8日深夜,中國科學院物理研究所的高鴻鈞研究組與靳常青研究組、美國波士頓學院汪自強教授在國際學術權威期刊《自然》上發表論文,報告該聯合研究團隊實現了大面積、高度有序和可調控的馬約拉納零能模格點陣列,這對于實現馬約拉納零能模的編織以及拓撲量子計算具有里程碑意義。


▲馬約拉納零能模編織示意圖

反粒子就是自身

可編織未來量子技術“基石”

馬約拉納費米子是一種神奇的基本粒子,不同于一般費米子,它的反粒子是它自身。1937年,意大利物理學家埃托雷?馬約拉納理論預言了它的存在。

在此后80多年里,雖然在廣袤宇宙中找不到其存在的確切證據,但凝聚態物理領域專家認為,在固體材料中可能會出現與馬約拉納費米子類似的粒子——“馬約拉納準粒子”或“馬約拉納零能?!?。

“四個馬約拉納零能模就可編織成一個拓撲量子比特,所以這種準粒子的編織操作被認為是實現容錯拓撲量子計算的重要途徑?!闭撐耐ㄓ嵶髡吒啉欌x研究員介紹,馬約拉納零能模的統計規律既不像玻色子,也不像費米子,而是服從一種獨特的非阿貝爾統計規律。

目前,全球競爭趨于白熱化的量子計算機,面臨的主要挑戰在于量子態很容易受環境的干擾,產生退相干現象,這使得計算過程中會不斷產生錯誤?!艾F在的量子計算為了糾錯,需要占用大量的量子比特?!蓖糇詮娬f,而由馬約拉納零能模組成的非局域拓撲量子比特,可以從原理上解決量子計算無法避免的量子退相干問題,因此受到研究人員的廣泛關注——這或將是一條路徑,可以發展出更可靠、更穩定的未來量子計算技術。

五年艱辛探索

尋覓馬約拉納零能模載體

那么,在怎樣的固體材料中,才能找到更多的馬約拉納準粒子?

過去,物理學家找到的一些載體,比如常規超導體近鄰下的半導體納米線、常規超導體表面的磁性原子鏈,以及超導體-拓撲絕緣體界面等材料體系,往往存在制備困難、對極低溫的要求較苛刻等問題。

為解決這個難題,高鴻鈞帶領團隊進行了長達五年的艱辛探索。


▲中科院物理所成果科研團隊合影

2018年,高鴻鈞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模。與之前的材料體系相比,鐵基超導體具有材料簡單和觀測溫度高等優勢,并且可以觀測到純凈的馬約拉納零能模。

隨后,他們針對馬約拉納零能模只在部分磁通渦旋中存在這一問題,對鐵基超導中的馬約拉納零能模進一步研究,澄清了馬約拉納零能模的拓撲本質。

2020年,他們進一步觀測到了馬約拉納零能模的近量子化電導平臺特征,給出了鐵基超導體中存在馬約拉納零能模的關鍵性實驗證據。與此同時,他們還在鐵磷基超導體中觀測到了馬約拉納零能模,極大地擴展了馬約拉納零能模載體平臺。

曙光驚喜出現

有望構建拓撲量子比特

然而,這些鐵基超導材料體系仍存在不少缺陷,無法成為操控馬約拉納零能模的理想載體。如何突破瓶頸,就成了當前鐵基超導馬約拉納領域亟待解決的問題之一。

最近,高鴻鈞研究團隊在對鐵基超導體鋰鐵砷的研究中發現,應力可以誘導出大面積、高度有序和可調控的馬約拉納零能模陣列。

“當我們發現這一現象時,真是驚喜萬分?!闭撐牡谝蛔髡?、中科院物理所李萌博士介紹,鋰鐵砷晶體中的自然應力可誘導產生雙軸電荷密度波條紋,其中一種特定波長的電荷密度波對超導性質具有明顯的調制作用,能夠形成有序的渦旋陣列。


▲馬約拉納零能模產生機理

“而且,我們還發現,這種雙軸電荷密度波可以使鋰鐵砷晶體中超過90%的磁通渦旋中心具有馬約拉納零能模,從而形成高度有序的馬約拉納零能模陣列?!闭撐墓餐谝蛔髡?、中科院物理所副研究員李更解釋,這種有序的馬約拉納零能模陣列可被外磁場調控——隨著磁場增加,渦旋間距減小,馬約拉納零能模間的相互作用開始凸顯。

該研究是科學家首次實現大面積、高度有序和可調控的馬約拉納零能模陣列,并觀測到了調控引起的馬約拉納零能模相互作用,為下一步實現馬約拉納零能模的編織以及拓撲量子計算奠定了堅實基礎。

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