量子計算機的實現又邁出了一步！物理學家創造出一種新的人造分子

2020-09-05 科學之美

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烏得勒支、聖塞巴斯蒂安和賓夕法尼亞州的一群物理學家創造出一種新的人造分子，這種分子內部絕緣，但其角落裡有電子狀態。這些狀態具有零能量，因此，對分子中的缺陷具有彈性，並可能用作量子計算機中的量子比特，其研究結果發表在《自然材料》上。烏得勒支大學(Utrecht University)的克裡斯蒂安·莫賴斯·史密斯(Cristiane Morais Smith)教授解釋說：量子計算機的發展面臨著一些重大挑戰。

其中一個主要問題是量子退相干：信息丟失到環境中。這使得在量子水平上設計電子比在經典水平上設計電子更加困難，這就是為什麼我們創造了對量子退相干有彈性的電子。理論物理學家桑德·肯普克斯(Sander Kempkes)說：在自然界中可以找到的正常分子往往具有有趣的性質，但要找到一個恰好具有你想要性質的分子需要很長時間。

研究人員只使用一個掃描隧道顯微鏡，一個銅樣品和一束一氧化碳分子，從下到上創造了人造分子，這些分子彼此之間相隔一納米。研究人員能夠創造出非常穩定的角模，這些角模受到分子對稱性的保護。就像你不能去除甜甜圈中的孔一樣，除非您切割它，否則不能在不對系統造成嚴重損害的情況下更改這些角模式。

由於在納米尺度上創建分子的極其精確和受控的方法，研究人員能夠驗證這些零模對位於分子角落缺陷的恢復能力。雖然這些模式還沒有準備好用作量子比特，但這是在人工系統中創建它們的方向上邁出重要一步。研究人員受到了所謂的戈美圖案的啟發，這是一種源自日本由三角形和六邊形組成的瓷磚圖案。

有一些真實的材料具有這種特殊形狀，但並不完全是研究人員所尋求的方式。這就是為什麼理論物理學家在計算機上設計了一種新的Kagome分子，之後Ingmar Swart和Daniel Vanmaekelbergh實驗室的實驗物理學家們實驗實現了該分子。在此之前，使用相同的技術來製造與超材料和量子分形相關的電子晶格。實驗物理學家Marlou slot說：操縱一氧化碳分子可以被認為是在納米級的西洋棋棋盤上滑動女王，用針而不是手指。

整個過程就像創建一個倒置的鬆餅罐頭，為周圍漂浮的電子提供所需的幾何形狀。「鬆餅罐」迫使電子形成一個特定的形狀，儘管烘焙的類比不應該太從字面上理解，因為實驗發生在零下269攝氏度。量子模擬器是理解複雜量子材料的重要工具，到目前為止，基於光學晶格和光子器件中超冷原子的平臺已經引領了該領域，但電子量子模擬器的基礎現在正在開發中。

在這裡，研究人員實驗實現了電子高階拓撲絕緣體(HOTI)，通過使用掃描隧道顯微鏡操縱Cu(111)表面一氧化碳分子來創建呼吸的Kagome晶格，還設計了交替的弱鍵和強鍵，以表明拓撲狀態出現在非平凡構型的角落，但在平凡構型中沒有。與傳統的拓撲絕緣體不同，拓撲態比塊體小兩個維度，表示HOTI。角模式受到廣義手徵對稱性的保護，這看導致了對擾動的特殊魯棒性，本研究設計人工晶格的通用方法有望揭示物質意想不到的量子階段。

博科園｜研究/來自：烏得勒支大學理學院

參考期刊《自然材料》

DOI: 10.1038/s41563-019-0483-4

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