量子計算機是使用量子邏輯進行通用計算的設備。不同於電子計算機或今天的電晶體計算機，它用來存儲數據的對象是量子比特。量子計算機可以解決傳統電腦實際上解決不了的許多問題。但是這樣的計算能力在複雜性、功耗和速度方面面臨著巨大的挑戰。為了超過隨著電子和晶片變得越來越熱和更快而達到的物理極限，需要更大的突破。特別是在通向通用化、商業化的進程中，此類計算能力問題已成為極為主要的障礙。
就像半個多世紀前以及至今的電晶體和光電二極體取代真空管一樣，科學家們在尋求在設計原理和新型材料方面的飛躍，以實現量子計算能力的通用化與商業化。
最近，美國艾姆斯實驗室、布魯克海文國家實驗室和阿拉巴馬州伯明罕大學的科學家聯合團隊發現了狄拉克半金屬中的光致開關機制。該機制建立了一種控制原子和電子來回運動的拓撲材料的新方法，這將使拓撲電晶體和使用光波的量子計算成為可能。這一研究成果發表在最近的《物理通訊X》上。
在該研究團隊及其所發表的論文作者中絕大多數為中國學者，共有13名。研究拓撲材料的科學家面臨一個挑戰，即如何以使像量子計算這樣的應用成為可能的方式建立和保持對這些獨特量子行為的控制。在該項實驗研究中，美國能源部下屬的埃姆斯實驗室（Ames Laboratory）的華裔資深科學家，愛荷華州立大學物理學教授王紀剛（Jigang Wang）及其團隊，證明了通過使用光來控制狄拉克半金屬中的量子態來進行控制。狄拉克半金屬是一種奇特的材料，由於其接近廣泛的拓撲相而具有極高的靈敏度。
王教授說，「光波拓撲工程試圖通過驅動量子周期運動來克服所有這些挑戰，以通過新的自由度（即拓撲結構）引導電子和原子，並以前所未有的太赫茲頻率（定義為每秒1萬億個周期）加熱而不會引起躍遷」， 「這種新的相干控制原理與迄今為止使用的任何平衡調諧方法形成了鮮明的對比，例如電場、磁場和應變場，它們的速度要慢得多、能量損耗要大得多。」
諸如量子計算之類的新計算原理的大規模採用，要求構建能夠保護脆弱的量子態免受其嘈雜環境影響的設備。一種方法是通過開發拓撲量子計算，其中量子位基於對噪聲免疫的「對稱保護」準粒子。
科學家們通過採用一種稱為模式選擇拉曼聲子相干振蕩的新光量子控制原理來實現這一目標，即利用短光脈衝驅動原子圍繞平衡位置的周期性運動。這些驅動的量子漲落引起具有不同間隙和拓撲順序的電子狀態之間的轉換。
這種動態切換的類比是周期性驅動的Kapitza擺，當施加高頻振動時，該擺可以過渡到倒置但穩定的位置。研究人員的工作表明，這種經典的控制原理，即將材料驅動到通常無法找到的新的穩定狀態，令人驚訝地適用於各種拓撲相和量子相變。
布魯克黑文國家實驗室（Brookhaven National Laboratory，簡稱BNL）的先進能源材料小組的負責人、華裔資深科學家、論文主導作者、李強（Qiang Li）說：「我們的工作為光波拓撲電子學和受量子相干控制的相變開闢了一個新領域。」 「這將對發展未來的量子計算策略和高速，低能耗的電子產品具有重要意義。」