科技日?qǐng)?bào)記者 張佳欣

據(jù)最新一期《科學(xué)》雜志報(bào)道，英國(guó)牛津大學(xué)和愛(ài)爾蘭科克大學(xué)等機(jī)構(gòu)合作，開(kāi)發(fā)出一種強(qiáng)大的新技術(shù)，首次實(shí)驗(yàn)證實(shí)天然材料碲化鈾（UTe2）具備內(nèi)在拓?fù)涑瑢?dǎo)性。這為大規(guī)模、容錯(cuò)型量子計(jì)算機(jī)的核心材料篩選提供了關(guān)鍵方法。

量子計(jì)算機(jī)的量子比特極易受到環(huán)境噪聲干擾，導(dǎo)致“量子退相干”，這限制了量子計(jì)算的穩(wěn)定性和實(shí)用性。

拓?fù)涑瑢?dǎo)體被認(rèn)為是突破這一瓶頸的理想材料。其表面能承載一種名為“馬約拉納費(fèi)米子”的全新量子粒子。理論上，這些粒子可被用于穩(wěn)定地存儲(chǔ)量子信息，而不會(huì)受到當(dāng)前量子計(jì)算機(jī)所面臨的噪聲和無(wú)序環(huán)境的干擾。幾十年來(lái)，物理學(xué)家一直在尋找一種真正的內(nèi)在拓?fù)涑瑢?dǎo)體，但從未發(fā)現(xiàn)任何一種材料能完全滿足所有條件。

UTe2自2019年發(fā)現(xiàn)以來(lái)，一直被認(rèn)為是具有內(nèi)在拓?fù)涑瑢?dǎo)性的候選材料，但此前未有實(shí)驗(yàn)?zāi)苤苯域?yàn)證這一點(diǎn)。

此次實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)使用了掃描隧道顯微鏡（STM）。該儀器無(wú)需使用光或電子束，而是利用原子級(jí)尖銳的超導(dǎo)探針在原子尺度上獲取超高分辨率圖像，可排除普通表面電子的干擾。更關(guān)鍵的是，團(tuán)隊(duì)使用了一種全新操作技術(shù)，即“安德列夫STM”。這是首個(gè)可專門探測(cè)拓?fù)涑瑢?dǎo)表面態(tài)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，目前全球僅三處實(shí)驗(yàn)室可實(shí)現(xiàn)。

結(jié)果表明，UTe2確實(shí)是一種內(nèi)在拓?fù)涑瑢?dǎo)體，但其中的馬約拉納費(fèi)米子以成對(duì)形式存在，無(wú)法單獨(dú)分離，因此尚不能滿足可操作量子比特的全部條件。

盡管如此，這項(xiàng)研究仍具有重大意義。這意味著，他們首次找到了一種方法，可一勞永逸地確定某種材料是否能有效用于某些量子計(jì)算微芯片。

今年早些時(shí)候，微軟發(fā)布了世界上第一個(gè)由拓?fù)浜诵尿?qū)動(dòng)的量子處理單元馬約拉納1。但微軟表示，需要基于精心設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)材料堆棧才能合成拓?fù)涑瑢?dǎo)體。此次研究意味著，科學(xué)家現(xiàn)在可使用簡(jiǎn)單的晶體材料來(lái)取代復(fù)雜且昂貴的人工電路，為下一代量子計(jì)算提供了更經(jīng)濟(jì)高效的拓?fù)淞孔颖忍亟鉀Q方案。