科学家已经开发出用于存储和传输量子信息的拓扑超导体材料

科学家已经开发出用于存储和传输量子信息的拓扑超导体材料

微软量子材料实验室和哥本哈根大学的科学家已经开发出一种特殊的材料,用于下一代量子计算机所需的拓扑超导体。研究结果发表在《自然物理学》杂志上。

科学家已经开发出用于存储和传输量子信息的拓扑超导体材料
半导体/超导体/铁磁绝缘体混合可以保存微妙的量子信息,并保护其不被退相干

图为三种材料组合成的新材料。铝是超导体,EuS是铁磁绝缘体,InAs是化合物半导体。

拓扑态对量子计算有很大的前景,但一直以来的挑战之一是必须施加大磁场。有了这种新材料,在没有磁场的情况下实现拓扑态成为了可能。

“这个结果是在实现实际的量子计算机之前需要的许多新发展之一,在这一过程中,更好地理解量子系统如何工作,并可能将其应用于医学、催化剂或材料,将是这项研究的一些积极的副作用”,来自Niels Bohr研究所的研究员Charles Marcus说。

在过去十年中,凝聚物质系统中的拓扑状态引起了巨大的兴奋和活跃,包括2016年诺贝尔物理学奖。所谓的Majorana zero modes具有天然的容错性,这使得拓扑态非常适合于量子计算。但实现拓扑Majorana zero modes的进展一直受到阻碍,因为需要大磁场来诱导拓扑相,而这是有代价的:系统必须在大磁铁的孔中运行,而且每个拓扑段必须沿着磁场的方向精确对齐。

新的结果报告了拓扑超导性的一个关键特征,但现在是在没有外加磁场的情况下。一层薄薄的硫化铕(EuS)材料,其内部磁性自然地与纳米线的轴线对齐,并在超导体和半导体元件中诱导出有效磁场(比地球磁场强一万倍以上),似乎足以诱导出拓扑超导相。

半导体、超导体和铁磁绝缘体的三重混合体

Marcus 这样解释这一进展:”将三种材料结合到一个晶体中–半导体超导体、铁磁绝缘体–三重混合体–是全新的。它能在低温下形成拓扑超导体,这是个好消息。这给我们提供了一条制造拓扑量子计算组件的新途径,也给物理学家提供了一个新的物理体系来探索”。

新成果将很快应用于量子位工程

下一步将是应用这些成果,以便更接近实现实际工作的量子位。到目前为止,研究人员已经完成了物理学理论方面的工作,现在他们即将着手设计一个实际的器件。这种装置,即量子位,对于量子计算机来说,本质上就像晶体管对于我们今天所知的普通计算机一样。它是执行计算的单位,但这是比较的终点。量子计算机的性能潜力是如此之大,以至于今天我们甚至无法真正想象其可能性。

微软材料实验室的科学总监Peter Krogstrup和Niels Bohr研究所的博士后Yu Liu对材料进行了生长,微软量子材料实验室首席实验专家Saulius Vaitiekenas进行了测量并制造了器件,Niels Bohr研究所的 Charles Marcus和其他人一起解读了随后的数据。Marcus 说:”可能涉及不同的角色和能力,但科学合作的过程大多数时候都是一个非常流动和开放的过程” [化合物半导体杂志]

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