小薄膜大突破 人類或將進入拓撲量子計算時代

2020-12-05 手機鳳凰網

製備出來的薄膜樣本 （杜欣攝）

人民網上海3月28日電 （記者 姜泓冰）現在，人們看到的天氣預報大致是這樣的：某月某日，晴，6—15℃，西北風3-4級。未來，天氣預報會變成這樣：某月某日某分某秒，實時溫度15℃，西北風3級。人們可以清楚地知道下一小時、下一分鐘甚至是下一秒的天氣實時情況。

有了拓撲量子計算機，像實時天氣預報這樣便捷的生活將會變成現實。

上海交通大學物理系賈金鋒、錢冬研究組今天宣布，他們在實驗室製備出一種由拓撲絕緣體材料和超導體材料複合而成的特殊人工薄膜。這種特殊的薄膜是產生Majorana費米子的必要條件。該團隊有望在年內實現探測Majorana費米子的突破。

上海交大特別研究員錢冬介紹，如果找到了Majorana費米子，將使在固體中實現拓撲量子計算成為可能，這將引發未來電子技術的新一輪革命，人類也將進入拓撲量子計算時代。

有關「Majorana費米子」預言得驗證

粒子世界有兩大人丁興旺的「家族」：費米子和玻色子，是以物理學家費米和波色的名字命名的。費米子家族的典型代表是電子，它存在於我們日常使用的各種電器中；玻色子家族最常見的代表是光子，也就是我們熟悉的光。玻色子家族的共同脾性是：「翻臉」後還是一家人；費米子家族則完全相反，一旦「翻臉」就成「陌路人」。

物理學家認為，任何粒子都有它的雙胞胎兄弟，也就是它的反粒子。1937年，義大利物理學家埃託雷·馬約拉納(Majorana)預測，自然界中可能存在一類特殊的費米子，它是自己的反粒子。人們將其命名為「Majorana費米子」。

「Majorana費米子」很神秘莫測。從20世紀到21世紀，全世界物理學家一直在尋找它。高能物理學家認為，中微子可能就是一種Majornana費米子。凝聚態（固體）物理學家們則在不同的材料體系中熱情地尋找著Majorana費米子。理論物理學家提出了多個「Majorana費米子」可能「藏身」的材料體系，其中上海交大低維物理和界面工程實驗室賈金鋒、錢冬、劉燦華、高春雷四位教授聯合攻關的拓撲絕緣體與超導體的界面，就是極有可能存在「Majorana費米子」的地方。

錢冬教授介紹，近年來，隨著拓撲絕緣體的問世，國際上掀起了新一輪的在實驗中追尋「Majorana費米子」的競賽。上海交大已經製備出最適合探測和操縱「Majorana費米子」的人工薄膜系統，有望在年內實現探測新突破。屆時，埃託雷·馬約拉納的跨世紀預言也將得到應驗。

小薄膜有望成就物理學重大突破

找到「Majorana費米子」，希望寄託於上海交大科研團隊研究的一種特殊人工薄膜。這種神奇的薄膜，由拓撲絕緣體材料和超導材料複合而成。厚度只有一根頭髮絲的一萬分之一。通過精確控制，將所需材料的原子一層一層的壘起來，最終達到產生「Majorana費米子」的必要要求。

錢冬形象化地把拓撲絕緣體比作是桌面，超導材料是桌子，怎麼把臺面和桌子有機地合在一塊組合成一個更漂亮的桌子呢？這個看似簡單的事情卻是物理學領域的一個大難題。目前，國際上已經有多個研究組能夠生長出高質量拓撲絕緣體薄膜，但由於界面反應和晶格匹配等問題，拓撲絕緣體與超導體之間的高質量的薄膜非常難以製備。

上海交大低維物理和界面工程實驗室想出了一個解決方法，他們通過無數次實驗，在拓撲絕緣體與超導體之間插入一種超薄的過渡層，從而形成了一種特殊的人工薄膜，首次成功地實現了超導體和拓撲絕緣體的「珠聯璧合」。他們發現超導的特性能夠傳遞到拓撲絕緣體上，使拓撲絕緣體也具有了超導體的「本領」。

小小薄膜成就了物理學領域的重大突破。這項研究成果即將在Science雜誌發表，其網站已先行發布。該工作被Science審稿人評價為「材料科學的突破」和「巨大的實驗成就」。

人類或將進入拓撲量子計算時代

20世紀重大成就之一是計算機的發明。人類的工作、生活已離不開計算機。但我們現在使用的計算機還處於大規模集成電路時代。近半個世紀以來，計算機的性能價格比基本遵循著著名的摩爾定律：晶片的集成度和性能每18個月提高一倍。然而，隨著半導體加工工藝進步，人們預期在不遠的將來半導體集成電路中電晶體的尺寸將達到10納米的尺度，而依靠提高集成電路的密集度來增加計算能力將不太可能。如何進一步提高計算能力，已是計算機發展面臨的重大挑戰。

用量子力學效應實現全新的計算模式，是一條正在探索的途徑，這就是量子計算。量子計算機的運算空間比通常計算機大許多。但研究發現，存儲在量子狀態中的信息容易受到外界的影響而出錯甚至丟失。傳統計算機裡面的一些容錯方法也不適合於量子計算機。

因此，容錯性成為實現量子計算的關鍵。而拓撲量子計算則是近年來發展的一個可能的解決方案。找到「Majorana費米子」，就仿佛找到了一把通往拓撲量子計算時代的鑰匙，它使在固體中實現拓撲量子計算成為可能，人類也將進入拓撲計算時代。

錢冬介紹說，與通常的量子計算機不同，拓撲量子計算機中存儲信息的量子狀態受到額外的保護，這種量子態不受局域環境擾動。通常的量子計算機中，信息是存儲在特定的位置，一個蘿蔔一個坑，坑壞了，蘿蔔也就沒有了。而拓撲量子計算機中信息的存儲是非局域的，「一個蘿蔔很多坑」，即使有幾個坑壞掉，系統還能夠根據其他的蘿蔔塊情況得出整個蘿蔔的信息。拓撲量子計算是一種在硬體上容錯的量子計算，它提供了通向固態量子計算的一條可行途徑。

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