新型拓撲超導體:未來有望用於製造量子計算機

2020-12-05 環球創新智慧

導讀

近日，瑞典查爾姆斯理工大學的科研團隊成功地製造出一種拓撲超導體，它能夠很好地產生馬約拉納費米子，克服量子退相干，有望成為量子計算機穩定的構建模塊。

背景

遍布全球的研究人員都在努力構建量子計算機，然而目前最大挑戰之一就是讓量子系統克服對於退相干（疊加態的坍塌）的敏感性。因此，量子計算機研究中的一個方法就是利用馬約拉納費米子（Majorana fermion）。微軟也在決心開發這種類型的量子計算機。

馬約拉納費米子是一種費米子，它的反粒子就是其本身。馬約拉納費米子是自然界本身存在著的『獨立』的正負粒子集合體，它具有『粒子』激發態的本證。這一概念由埃託雷·馬約拉納於1937年提出，他對狄拉克方程式改寫得到了馬約拉納方程式，可以描述中性自旋1/2粒子，因而滿足這一方程的粒子為自身的反粒子。

馬約拉納費米子是高度原始的粒子，與那些組成我們身邊的材料的粒子大不相同。用高度簡化的術語來說，它們可以被當作半個電子。馬約拉納費米子對於量子退相干不敏感，因此它有望成為量子計算機穩定的構建模塊。

科學家們想要在量子計算機中，將在材料中一對分開的馬約拉納費米子用於編碼信息。然而，問題是馬約拉納費米子只在非常特殊的情況下才能產生。

創新

近日，瑞典查爾姆斯理工大學（ Chalmers University of Technology）成功地製造了一種組件，該組件能夠很好地容納這種廣受歡迎的粒子：馬約拉納費米子。

（圖片來源：Johan Bodell/Chalmers）

在固態材料中，馬約拉納費米子只在拓撲超導體中出現。拓撲超導體是一種非常特別的新型超導體，它很難在實踐中發現。但是，近日瑞典查爾姆斯理工大學成為了世界上首個實際上成功製造出拓撲超導體的科研機構之一。

查爾姆斯理工大學量子裝置物理實驗室的教授 Floriana Lombardi 表示：「我們的實驗結果與拓撲超導體一致。」

技術

為了創建出非傳統的超導體，他們從一種拓撲絕緣體開始，這種絕緣體由碲化鉍（Be2Te3）製成。拓撲絕緣體本質上只是一種絕緣體，換句話說，它不導電。但是，在其表面，它以一種非常特殊的方式導電。研究人員在其頂層放置了一層傳統超導體，在這個案例中是鋁，它在低溫下以完全沒有電阻的狀態導電。

量子裝置物理實驗室的副教授 Thilo Bauch 解釋道：「然後，這種超導的電子對漏入拓撲絕緣體中，它也變成了超導的。」

然而，最初的測量全部顯示，在 Bi2Te3 拓撲絕緣體中，它們只有標準的超導感應。但是，當它們將組件冷卻下來以後，照例地重複進行一些測量，情況突然改變了，超導電子對在不同方向上，呈現出不同的特性。

（圖片來源：參考資料【2】）

（圖片來源：參考資料【2】）

Lombardi 表示：「這並不兼容所有傳統超導性。突然，意想不到且激動人心的事情發生了。」不同於其他研究團隊，Lombardi 的團隊使用鉑將超導絕緣體與鋁集合在一起。重複循環冷卻增加了材料中的壓力，也引起了超導性的改變。

價值

研究團隊在徹底分析之後確認，他們很可能已經成功地創建出拓撲超導體。

Lombardi 表示：「對於實際應用來說，材料主要吸引了那些致力於構建拓撲量子計算機的科研人員的興趣。我們自己想要拓展隱藏於拓撲超導體中的新物理，這將是物理學的新篇章。」

關鍵字

量子技術、拓撲絕緣體、超導

參考資料

【1】http://www.mynewsdesk.com/uk/chalmers/pressreleases/unconventional-superconductor-may-be-used-to-create-quantum-computers-of-the-future-2418742?utm_source=rss&utm_medium=rss&utm_campaign=Subscription&utm_content=pressrelease

【2】Sophie Charpentier, Luca Galletti, Gunta Kunakova, Riccardo Arpaia, Yuxin Song, Reza Baghdadi, Shu Min Wang, Alexei Kalaboukhov, Eva Olsson, Francesco Tafuri, Dmitry Golubev, Jacob Linder, Thilo Bauch, Floriana Lombardi. Induced unconventional superconductivity on the surface states of Bi2Te3 topological insulator. Nature Communications, 2017; 8 (1) DOI: 10.1038/s41467-017-02069-z

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