加州大學(xué)河濱分校和麻省理工學(xué)院的一個聯(lián)合科學(xué)家小組正越來越接近于證實：一種名為馬約拉納費米子奇異量子粒子的存在，這種粒子對容錯量子計算至關(guān)重要，容錯量子計算是一種量子計算方法，可以解決運行過程中的錯誤。

量子計算使用量子現(xiàn)象來進行計算，馬約阿納費米子存在于被稱為拓?fù)涑瑢?dǎo)體的特殊超導(dǎo)體邊界上。拓?fù)涑瑢?dǎo)體的內(nèi)部有一個超導(dǎo)隙，而外部邊界上有一個馬約阿納費米子。

馬約阿納費米子是量子物理學(xué)中最受歡迎的對象之一，因為它們是自己的反粒子，它們可以將電子的量子態(tài)一分為二，而且它們遵循的統(tǒng)計數(shù)據(jù)與電子不同。盡管許多人聲稱已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了它們，但科學(xué)家仍無法證實它們奇特的量子性質(zhì)。加州大學(xué)和麻省理工學(xué)院的研究團隊克服了這一挑戰(zhàn)，開發(fā)了一種新的，基于金的異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料系統(tǒng)，該系統(tǒng)可能被用來證明馬約拉納費米子的存在和量子性質(zhì)。

異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料是由截然不同的材料層組成，與各自的層相比，這些材料在一起表現(xiàn)出完全不同的功能。物理學(xué)和天文學(xué)助理教授、凝聚態(tài)物質(zhì)實驗學(xué)家彭偉(音譯)與麻省理工學(xué)院的Jagadeesh Moodera和Patrick Lee共同領(lǐng)導(dǎo)了這項研究。一種材料需要滿足幾個嚴(yán)格的條件才能成為拓?fù)涑瑢?dǎo)體。馬約拉納費米子被認(rèn)為是電子的一半，預(yù)計將在拓?fù)涑瑢?dǎo)體納米線的末端發(fā)現(xiàn)。有趣的是，兩個馬約納費米子可以結(jié)合起來組成一個電子。

使得電子的量子態(tài)可以非本地存儲——這對于容錯量子計算來說是一個優(yōu)勢。麻省理工學(xué)院(MIT)理論學(xué)家預(yù)測，在嚴(yán)格的條件下，金的異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以成為拓?fù)涑瑢?dǎo)體。由UCR-MIT團隊所做實驗已經(jīng)達到了金的異質(zhì)結(jié)構(gòu)所需要的所有條件。實現(xiàn)這樣的異質(zhì)結(jié)構(gòu)要求很高，因為首先需要解決幾個材料物理方面的挑戰(zhàn)。研究表明，超導(dǎo)性、磁性和電子的自旋軌道耦合可以在金中共存（這是一個很難遇到的挑戰(zhàn)）并且可以通過異質(zhì)結(jié)構(gòu)與其他材料手工混合。

超導(dǎo)性和磁性通常不會在同一種材料中共存，金不是超導(dǎo)體，它表面的電子態(tài)也不是。同時研究首次表明，超導(dǎo)性可以被帶到金的表面狀態(tài)，這需要新的物理學(xué)。證明了使金的表面狀態(tài)成為超導(dǎo)體是可能的，這在以前從未被證明過，研究還表明，金表面狀態(tài)的超導(dǎo)電子密度是可以調(diào)諧的。這對于馬約阿納費米子的未來操控很重要，這是更好的量子計算所必需。此外，黃金表面狀態(tài)是一個自然可伸縮的二維系統(tǒng)，這意味著它允許建造馬約阿納費米子電路。

博科園｜研究/來自：加州大學(xué)河濱分校

參考期刊《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.247002

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