最新技術為量子計算提供了有前景的材料

2020-09-17 石墨烯資訊


插圖a:三種材料結合形成新材料的圖表。Al是超導體鋁，EuS是新加入的，硫化銪是鐵磁體，InAs是砷化銦是半導體。在組合中，它們允許所需的馬約拉納零模式的存在，使量子線器件成為拓撲量子計算機的一個不可分割的組件。圖b:電子顯微圖顯示導線(藍色/灰色)，在柵電極之間(黃色)。柵極是控制電子密度所必需的，電子通過導線從源(偏壓)穿過。這個系統最大的優點是一個大的磁場是多餘的，因為磁場可能會對附近的其他部件產生潛在的負面影響。換句話說，這個結果使實際應用的可能性大大增加。圖中導線的長度為2微米= 0.002毫米，厚度為100納米= 0.0001毫米。資料來源:哥本哈根大學

微軟量子材料實驗室和哥本哈根大學的研究人員緊密合作，成功地實現了一種用於未來量子計算機的重要且有前途的材料。為此，研究人員必須創造出能夠保存精細量子信息並保護其不被退相干的材料。

所謂的拓撲狀態似乎有這個希望，但挑戰之一是必須應用大磁場。有了這種新材料，就有可能實現沒有磁場的拓撲狀態。「許多新發展的結果是一個需要一個實際的量子計算機實現之前,但一路上更好地理解量子系統是如何工作的,並且可能被應用於醫藥、催化劑或材料,將一些積極的副作用研究,」教授查爾斯·馬庫斯解釋道。這篇科學文章現在發表在《自然物理》上

拓撲狀態是有希望的，但是在這個過程中也有很多挑戰

在過去的十年裡，凝聚態系統的拓撲狀態已經產生了巨大的興奮和活動，包括2016年諾貝爾物理學獎。所謂的馬約拉納零模式具有天生的容錯能力，這使得拓撲狀態非常適合量子計算。但進展實現拓撲馬約喇納零模式一直受到的要求大磁場誘導拓撲階段,這是有代價的:系統必須操作孔的大磁鐵,和每一個拓撲段必須精確地沿電場方向排列。

新的結果報告了拓撲超導的一個關鍵特徵，但現在沒有應用磁場。一薄層材料的硫化銪(歐盟),其內部磁自然與納米線的軸和誘發的有效磁場(超過一萬倍地球磁場)超導體和半導體組件,似乎足以誘導拓撲超導階段。

查爾斯·馬庫斯教授這樣解釋這一進展:「將三種元件組合成單個晶體——半導體、超導體、鐵磁絕緣體——三種混合——是新的。它能在低溫下形成拓撲超導體，這真是個好消息。這為我們提供了一條製造拓撲量子計算組件的新途徑，也為物理學家提供了一個新的物理系統來探索。」

新的研究結果將很快應用於量子比特的工程中

下一步將是應用這些結果，以便更接近實現實際工作的量子位。到目前為止，研究人員一直在研究物理學，現在他們即將著手設計一個實際的設備。這個設備，量子比特，對於量子計算機來說就像電晶體對於我們今天所知道的普通計算機一樣。它是執行計算的單位，但這是比較結束的地方。量子計算機的性能潛力是如此之大，以至於今天我們甚至都無法想像它的可能性。

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