超薄新材料推進量子計算

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【大紀元2021年01月01日訊】(大紀元記者高文森編譯報導)近期一份發表在《自然》(Nature)期刊上的研究稱,利用超薄的材料造出了科學家一直在探索的馬約拉納(Majorana)量子態,為造出抗干擾性能強的量子比特奠定了基礎。

馬約拉納費米子(fermion)是意大利理論物理學家埃托雷・馬約拉納(Ettore Majorana)1937年提出的一種假設的粒子。它具有粒子的特性,但卻不是真正的粒子。現在科學家認為這種粒子是解決量子比特不穩定性的優質方案之一。

這份研究稱造出了一種神祕的量子態——一維馬約拉納零能量模式(MZMs)。

量子計算機的核心是量子比特材料的選擇。谷歌去年高調宣布的梧桐(Sycamore)處理器和其它幾家公司研發的處理器所使用的量子比特,抗干擾性能比較差,出錯率較高。研究人員認為新型的拓撲量子比特能夠解決這個問題,而一維馬約拉納零能量模式正是製造這種量子比特的核心所在。

項目負責人芬蘭阿爾托大學(Aalto University)的利耶羅斯(Peter Liljeroth)說:「拓撲量子電腦以拓撲量子比特為基礎,理論上比其它量子比特的抗干擾性能好。」

什麼是馬約拉納零能模

這是一組以特殊的方式綁定在一起的電子,它們整體的行為就像一個馬約拉納費米子一樣。困難的是,科學家從未在宇宙中觀測到這種粒子,也沒在實驗室造出過。

研究人員考慮,給予一組電子特定的、很小的一個能量值,把它們圍在一起,不要讓任何電子離開,以創造MZMs。為了實現這一點,材料必須是扁平的,越薄越好。研究人員需要一種全新的平面材料——拓撲超導體才能實現一維馬約拉納零能模。

研究介紹說,拓撲超導是在磁電絕緣層和超導體交界處的特性。研究人員目標把電子困在拓撲超導體內,可是,這不是簡單地把任何磁鐵黏在任何一塊超導體上面就能實現。

「對於多數的磁鐵來說,當你把它放在超導體上面的時候,將破壞超導體的超導特性。」研究作者之一凱齊別克(Shawulienu Kezilebieke)說,「兩種材料的互動破壞了它們的特性 。為了造出MZMs,必須限制兩種材料只有少量互動。因此使用非常薄的平面材料是關鍵:這讓材料之間既有足夠的互動產生MZMs特性,又不會互動太多而互相損害。」

這項研究使用的超導體是一層溴化鉻,只有一層原子的厚度,並帶有磁性。

最後,研究組需要電腦模型專家的幫助證明他們的產物。合作研究員電腦建模專家福斯特(Adam Foster)說:「需要大量模擬工作證明,我們看到的信號是來自MZMs,我們得證明各方面特徵全都符合。」

研究組表示,他們確信通過平面材料已經造出了一維馬約拉納零能模,接下來,他們將嘗試用它們造出量子比特。◇

責任編輯:朱涵儒

 

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