我国科学家在拓扑量子计算领域取得新突破

2022-06-10 0 1,007

人民网北京6月9日电 (记者赵竹青)记者从中国科学院获悉,我国科学家实现了大面积、高度有序和可调控的马约拉纳零能模格点阵列,向拓扑量子计算的实现迈出了重要一步。该研究成果6月8日在《自然》杂志上发表。

据了解,马约拉纳费米子是一种神奇的基本粒子,它的反粒子是它自身。理论物理学家预言,在固体材料中可能会出现与马约拉纳费米子类似的粒子,称为“马约拉纳准粒子”,或是“马约拉纳零能模”。由于其统计规律表现为一种独特的“非阿贝尔统计规律”,因此这种准粒子的编织操作被认为是实现容错拓扑量子计算的重要途径。

量子计算机在处理复杂问题时有着巨大的优越性,是当前全球研究热点之一。量子计算的主要挑战在于量子态很容易受环境的干扰,产生退相干现象,使得计算过程中会不断地产生错误。而由马约拉纳零能模组成的非局域拓扑量子比特可以从原理上解决量子计算无法避免的量子退相干问题,引起了研究人员的广泛关注。

2018年,中国科学院物理研究所高鸿钧研究团队与丁洪研究团队合作,首次在铁基超导材料铁碲硒中观测到马约拉纳零能模。随后,他们对铁基超导体中的马约拉纳零能模进一步研究,给出了样品表面马约拉纳零能模存在的微观物理机制,澄清了马约拉纳零能模的拓扑本质。

2020年,他们进一步给出了铁基超导体中存在马约拉纳零能模的关键性实验证据。与此同时,他们还在铁磷基超导体单晶表面的磁通涡旋中以及铁基超导体单晶表面的单个铁原子上观测到了马约拉纳零能模,极大地扩展了马约拉纳零能模载体平台。

然而,这些铁基超导材料体系还是存在着材料组分不均一、磁通涡旋阵列无序且不可控以及马约拉纳零能模占比低等问题,阻碍了其进一步的研究和应用。

“如何突破当前研究瓶颈,获得大面积、高度有序且可调控的马约拉纳零能模阵列,向拓扑量子计算更进一步,是当前铁基超导马约拉纳领域亟待解决的问题之一。”高鸿钧表示。

最近,高鸿钧研究组与靳常青研究组、美国波士顿学院的汪自强合作,对铁基超导体锂铁砷进行了细致而深入的研究。他们利用多年积累的强大的扫描隧道显微镜研究平台和丰富的研究经验在实验上发现,应力可以诱导出大面积、高度有序和可调控的马约拉纳零能模阵列。

高鸿钧表示,这项研究首次实现了大面积、高度有序和可调控的马约拉纳零能模阵列,并观测到了调控引起的马约拉纳零能模相互作用,为下一步实现马约拉纳零能模的编织以及拓扑量子计算奠定了坚实的基础。

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