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拓扑超导体研究可能是可访问量子计算的关键

一项专注于使用奇异粒子的超导体的新发现可能刚刚为实现更高的量子计算稳定性和扩展性铺平了道路,可能会推高可访问量子计算机的时间表。

马里兰大学 (UMD) 量子材料中心 (QMC) 的研究人员一直在探索一种新的超导材料,这种材料在自然界中似乎具有拓扑结构:二碲化铀(缩写为 UTe2)。这为量子计算机带来了巨大的潜在好处,因此该团队制造了这种材料的晶体并开始研究其特性。

超导体是一种可以无电阻地承载电流的材料。这意味着信号不会失去其完整性,并且不会以热量的形式损失能量。拓扑超导体结合了量子物理学和拓扑学领域,这是一个数学领域,探索如何通过推拉将相同的材料操纵成不同的形状,只利用其固有的物理特性。

想想粘土建模。您可以使用同一个粘土球,通过推拉来制作盘子或花瓶。这意味着盘子和花瓶是拓扑分组的——材料是相同的,但可以通过不同的形状来表现或操纵。

这很重要,因为拓扑超导体为科学家提供了两种不同但互补的行为。首先,拓扑超导体中的电子会相互跳舞,而不是简单地相互独立流动——这是它们之间一种自然发生的联系。当这种情况发生时,他们会在舞蹈的中心产生一种漩涡,这使得将他们分开比没有这种舞蹈同步的自由漂浮要困难得多。其次,科学家们已经确定了一种似乎出现在这些拓扑超导体表面的奇特粒子,马约拉纳模式,它们的行为就好像它们只是一个电子的一半。这些马约拉纳模式已被证明在拓扑超导体的顶部沉积为一层,但本身不是导体。

相反,薄的马约拉纳模式薄膜似乎充当了某种力场,将一些科幻用语带入了方程式。它们能够抵抗外力的干扰,无论超导体的不规则性如何都会出现,并使超导体绝缘,这通常会将其超导特性传递给与其接触的任何东西。UMD 物理学教授兼 QMC 成员 Steven Anlage 将这种行为描述为“这种受拓扑保护的表面状态,有点像超导体周围的包裹物,你无法摆脱。”

这意味着二碲化铀及其涌现的物理特性似乎是更强大、更稳定的量子连接的推动者,因为在其涌现粒子上编码信息自然比目前的方法更具抵抗力。如果我们知道关于量子态的一件事,那就是它们非常不喜欢任何干扰。

科学家们认为,这两种现象都是实现更稳定、更易于扩展的量子处理器的关键。到目前为止,除了发现可以解释这些行为的拓扑超导体之外,研究人员还没有找到任何其他解释,该过程的下一步是尝试制造更容易、更可靠的二碲化铀薄沉积物。比他们一直在使用的晶体。

如果他们在这个特定的研究分支中取得成功,他们将不得不想出新设备来处理材料中的天然放射性(毕竟是铀)。然后他们需要设计和制造将这些原则付诸实践的实际设备。这将需要几年时间,但量子研究界对这些发现的兴趣和反应表明它们对量子计算的未来至关重要。

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