中國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一維拓撲邊界態(tài) 有望叩開高能量子計算大門


時間:2016-07-18





  中國科學(xué)家基于鐵基高溫超導(dǎo)材料研究發(fā)現(xiàn)的新型一維拓撲邊界態(tài),有望為人類叩開高能量子計算機的大門。


  近日,國際著名學(xué)術(shù)雜志《自然—材料》Nature Materials刊登了鐵基高溫超導(dǎo)材料研究領(lǐng)域的一項重要進展——新型一維拓撲邊界態(tài)的發(fā)現(xiàn)。拓撲超導(dǎo)體最激動人心的應(yīng)用就是高能量子計算機,它能在計算中發(fā)現(xiàn)錯誤,一旦出錯就會在信息處理過程中產(chǎn)生抵抗。


  上述研究成果由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室的王征飛教授和美國猶他大學(xué)劉鋒教授、清華大學(xué)薛其坤院士及馬旭村研究員、中科院物理所周興江研究員合作獲得。


  超導(dǎo)和拓撲是固體材料領(lǐng)域最有趣的兩個量子現(xiàn)象,二者糾纏形成的拓撲超導(dǎo)形態(tài),在量子現(xiàn)象領(lǐng)域更是引人注目,因此,超導(dǎo)材料與拓撲材料也是近年來凝聚態(tài)物理研究的兩大熱點。拓撲超導(dǎo)態(tài)是物質(zhì)的一種新狀態(tài),有別于傳統(tǒng)的超導(dǎo)體,拓撲超導(dǎo)材料兼具超導(dǎo)材料和拓撲材料的特性,內(nèi)部是超導(dǎo)態(tài),而表面或邊界則存在厚度約為1納米的受拓撲保護的無能隙金屬態(tài)。如果把一個拓撲超導(dǎo)體一分為二,其新表面又會自然出現(xiàn)一層厚度約1納米的受拓撲保護的金屬態(tài)。


  量子計算最理想的粒子——馬約拉納費米子


  與普通計算機通過二進制方式處理數(shù)據(jù)不同,量子計算機是一種基于量子物理機理處理數(shù)據(jù)的計算機。它采用次原子粒子“量子”來存儲和處理信息。量子計算機的速度快到什么程度?學(xué)界有比喻稱,如果現(xiàn)在的傳統(tǒng)二進制計算機的速度是自行車,量子計算機的速度就好比飛機。


  為何時至今日,人類還未能造成一臺真正意義上的量子計算機?這是由于量子計算的粒子的“量子態(tài)”并不穩(wěn)定,電磁干擾或物理干擾可以輕松打亂它們本應(yīng)進行的計算。那么,就需要一種不受干擾的粒子。


  最理想的粒子,是馬約拉納費米子。理論物理學(xué)家曾預(yù)言,拓撲超導(dǎo)材料在磁場下的渦旋中心會產(chǎn)生馬約拉納費米子。由于馬約拉納費米子的反粒子就是它本身,其狀態(tài)非常穩(wěn)定,不易被傳統(tǒng)的電磁或物理干擾破壞,可以被用于定義量子計算中的量子比特。


  量子比特的相干性是指電子向右自旋和正電子向左自旋的狀態(tài)相關(guān)聯(lián),和傳統(tǒng)計算機不同,量子計算機的運算時間由于量子比特間的相干性的存在而有限制,經(jīng)過一定的時間后,量子比特間一旦遇到外界實體的觀測,會失去相干性,量子相干性衰減即為“退相干”,如果退相干時間不夠長,就無法完成計算。為了發(fā)揮量子計算的優(yōu)勢,硬件上需要保證量子比特的相干性,拓撲超導(dǎo)材料有助于解決傳統(tǒng)量子比特的退相干問題,提高其存活時間,對于量子計算機領(lǐng)域的重要性不言而喻。


  那么馬約拉納費米子跟拓撲邊界態(tài)以及超導(dǎo)材料又有什么關(guān)系呢?具備拓撲以及超導(dǎo)這雙重量子現(xiàn)象的新型超導(dǎo)材料,可以被認為是一種特殊的絕緣體,利用這一點,可以“哄騙”電子跑到這種材料的表面,將其轉(zhuǎn)變?yōu)轳R拉約那費米子。


  用物理學(xué)家L·安德魯·雷的話來說,具備這兩種特性的“超導(dǎo)體是產(chǎn)生和控制馬拉約那費米子的理想育兒所?!?/br>


  中國在高溫超導(dǎo)領(lǐng)域是世界領(lǐng)跑者


  如何設(shè)計尋找拓撲超導(dǎo)材料,一直是研究人員關(guān)注的焦點。自然界中很多材料都只是單一的超導(dǎo)或者拓撲絕緣體,超導(dǎo)和拓撲兩種狀態(tài)很難在同一種物質(zhì)中共存。以往的研究思路是借助外延生長將拓撲材料放置在超導(dǎo)材料上或?qū)⒊瑢?dǎo)材料放置在拓撲材料上,通過鄰近效應(yīng)實現(xiàn)拓撲超導(dǎo)體。但這種復(fù)合材料對于生長工藝的要求十分苛刻,阻礙了拓撲超導(dǎo)材料研究的發(fā)展。


  在前述研究中,中國科學(xué)家以新型高溫超導(dǎo)材料FeSe/SrTiO3為研究對象,結(jié)合理論計算、掃描隧道顯微鏡和角分辨光電子能譜,系統(tǒng)地研究了其反鐵磁電子構(gòu)型,在實空間觀測到自旋—軌道耦合所打開的拓撲能隙中一種新型一維拓撲邊界態(tài)的存在。


  該工作有助于進一步理解FeSe/SrTiO3的高溫超導(dǎo)機制,為探索單一材料高溫拓撲超導(dǎo)體和馬約拉納費米子開辟了新途徑。


  中國在高溫超導(dǎo)領(lǐng)域是世界領(lǐng)跑者。2013年,中科院物理研究所確定了鐵基為新一類高溫超導(dǎo)體,首次發(fā)現(xiàn)常壓下臨界溫度高于40K約零下233攝氏度的超導(dǎo)電性,突破了麥克米蘭極限溫度。2015年8月,中科院強磁場中心曾研發(fā)出一種新型高質(zhì)量單晶體,采用高溫熔融法把堿土金屬元素鍶插入到典型的拓撲絕緣體材料硒化鉍中,獲得了高質(zhì)量的拓撲超導(dǎo)單晶體。這種材料的超導(dǎo)性能高達91.5%,且在空氣中十分穩(wěn)定,在10特斯拉到35特斯拉磁場區(qū)間出現(xiàn)了周期性的量子振蕩信號,證明其存在拓撲保護表面態(tài)。


  由于其磁性因素,鐵基化合物曾一度幾乎被無數(shù)國際頂尖物理學(xué)家斷言為探索高溫超導(dǎo)體的禁區(qū)。2014年1月,以趙忠賢、陳仙輝、王楠林、聞?;ⅰ⒎街覟榇淼闹袊茖W(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)國家實驗室和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團隊因為在“40K以上鐵基高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)及若干基本物理性質(zhì)研究”方面的突出貢獻獲得了國家自然科學(xué)一等獎。在此之前,這一獎項已經(jīng)連續(xù)3年空缺。


來源:澎湃


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