量子计算的突破:新的材料融合具有一种独特的超导性所需的所有成分
诸平
Researchers at Penn State have introduced a groundbreaking material fusion that enables a new form of superconductivity, crucial for advancing quantum computing and exploring the theoretical chiral Majorana particles. Their study demonstrates how combining magnetic materials can lead to emergent superconductivity, marking a significant leap in creating chiral topological superconductors and potentially unlocking new avenues in quantum computing research.
据美国宾夕法尼亚州立大学（Penn State University简称Penn State）2024年2月24日提供的消息，由宾夕法尼亚州立大学的研究人员领导的一个团队创造的新的材料组合，也可以提供一个平台来探索类似于被称为手性马约拉纳（chiral Majoranas）的神秘理论粒子的物理行为，这可能是量子计算的另一个有前途的组成部分。这是一种新的材料融合，每种材料都具有特殊的电性能，具有独特类型的超导性所需的所有组件，可以为更强大的量子计算提供基础。详见量子计算的突破:新的材料融合具有一种独特的超导性所需的所有成分（Quantum Computing Breakthrough: New Fusion of Materials Has All the Components Required for a Unique Type of Superconductivity）这项新研究2024年2月8日已经在《科学》（Science）杂志网站发表——, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , . Interface-induced superconductivity in magnetic topological insulators. Science, 8 Feb 2024, 383(6683): 634-639. DOI: 10.1126/science.adk1270
参与此项研究的除了来自美国宾夕法尼亚州立大学的研究人员之外，还有来自美国罗格斯大学（Rutgers University, Piscataway, NJ, USA）、美国华盛顿大学（University of Washington, Seattle, WA, USA）、美国洛斯阿拉莫斯的国家强磁场实验室（National High Magnetic Field Laboratory, Los Alamos, NM, USA）、美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, USA）；中国科学院理论物理研究所（Institute of Theoretical Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing, China）以及瑞士保罗·舍勒研究所（Paul Scherrer Institute, Villigen PSI, Switzerland）的研究人员。
这项工作描述了研究人员如何将两种磁性材料结合在一起，他们称这是实现新兴界面超导性的关键一步，这是他们目前正在努力的方向。
手性拓扑超导体的作用（The Role of Chiral Topological Superconductors）
无电阻的超导体材料广泛应用于数字电路、磁共振成像(magnetic resonance imaging简称MRI)和粒子加速器中的强力磁铁，以及其他对电流最大化至关重要的技术中。当超导体与一种叫做磁性拓扑绝缘体（magnetic topological insulators）的材料结合在一起时，这种材料是一种只有几个原子厚的薄膜，具有磁性，并将电子的运动限制在其边缘，每个组件的新电学特性共同作用，产生“手性拓扑超导体”（“chiral topological superconductors”）。拓扑结构，或物质的特殊几何形状和对称性，在超导体中产生独特的电现象，这可以促进拓扑量子计算机（topological quantum computers）的构建。
量子计算机有潜力在传统计算机的一小部分时间内执行复杂的计算，因为与传统计算机将数据存储为1或0不同，量子计算机的量子比特以一系列可能的状态同时存储数据。拓扑量子计算机进一步改进了量子计算，利用了电学性质的组织方式，使计算机对退相干（decoherence）具有鲁棒性。退相干就是当量子系统不完全隔离时发生的信息丢失。
材料组合的突破（Breakthrough in Material Combination）
宾夕法尼亚州立大学亨利·聂尔（Henry W. Knerr）早期职业教授（Henry W. Knerr Early Career Professor）和物理学副教授、上述论文的共同通讯作者张翠祖(Cui-Zu Chang音译)说：“创造手性拓扑超导体是拓扑量子计算的重要一步，可以扩展到广泛的应用。手性拓扑超导性需要三个要素:超导性、铁磁性和一种被称为拓扑有序（topological order）的性质。在这项研究中，我们制作了一个具有所有这三种属性的系统。”
