約翰·霍普金斯大學(xué)科學(xué)家現(xiàn)發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》期刊上的一項(xiàng)新研究中報(bào)告稱：先進(jìn)的容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)可能比科學(xué)家預(yù)測(cè)的更接近普及。研究人員以他們之前的研究為基礎(chǔ)，尋找被稱為具有自旋三重態(tài)配對(duì)的超導(dǎo)體基本材料塊，這種材料被認(rèn)為是非常罕見的。自旋三重態(tài)配對(duì)的罕見性質(zhì)可以產(chǎn)生一種名為馬約拉納費(fèi)米子（Majorana Fermions）的奇異電子態(tài)。

馬約拉納費(fèi)米子可以用作容錯(cuò)量子比特，這是未來量子計(jì)算機(jī)的基本工作單元，可能最終取代谷歌和IBM正在開發(fā)易受噪音影響的量子計(jì)算機(jī)原型。一個(gè)主要的障礙是三線對(duì)超導(dǎo)材料的稀缺性，讓事情變得更加困難的是，超導(dǎo)電性及其潛在的配對(duì)機(jī)制被認(rèn)為是無法計(jì)算或預(yù)測(cè)的少數(shù)幾個(gè)物理性質(zhì)，這是出了名的難。材料的尋找必須在很大程度上以艱苦的反復(fù)試驗(yàn)的方式進(jìn)行，而不受任何理論指導(dǎo)的影響。

這一新發(fā)現(xiàn)集中在一種特殊類型的晶體上，即非中心對(duì)稱超導(dǎo)體。與大多數(shù)表現(xiàn)出反轉(zhuǎn)對(duì)稱性的常見晶體材料不同，也就是說，晶體結(jié)構(gòu)與其反轉(zhuǎn)圖像無法區(qū)分，這類特殊的材料打破了反轉(zhuǎn)對(duì)稱，顯示出有別于其自身的反轉(zhuǎn)圖像。據(jù)預(yù)測(cè)，這種低對(duì)稱性表明存在難以捉摸的自旋-三重態(tài)配對(duì)。這些“低對(duì)稱性”材料構(gòu)成了一個(gè)潛在豐富的量子計(jì)算機(jī)建造材料礦藏。然而，在這些晶體中缺乏自旋-三重態(tài)配對(duì)的決定性證據(jù)。

霍普金斯大學(xué)研究人員使用一種新的實(shí)驗(yàn)方法，檢驗(yàn)了這種超導(dǎo)體的原型--α-BiPd。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在α-BiPd的多晶環(huán)中存在非常不尋常的磁通量半整數(shù)量子化，這構(gòu)成了自旋-三重態(tài)配對(duì)的確鑿證據(jù)。這一新發(fā)現(xiàn)描繪了一個(gè)充滿希望和鼓舞人心的未來，因?yàn)楦嗟牟牧蠈牡蛯?duì)稱性的材料中涌現(xiàn)出來。豐富的材料組合可以加速容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，在更遠(yuǎn)的未來，將迎來可以惠及普通民眾的通用量子計(jì)算。

尋找自旋三重態(tài)配對(duì)和拓?fù)涑瑢?dǎo)材料的質(zhì)數(shù)類別是沒有反轉(zhuǎn)對(duì)稱性的超導(dǎo)體，研究預(yù)測(cè)宇稱對(duì)稱性的破缺，將導(dǎo)致自旋三重態(tài)和自旋單重態(tài)配對(duì)態(tài)的混合。然而，在任何材料中配對(duì)混合的實(shí)驗(yàn)確認(rèn)仍然難以捉摸。研究進(jìn)行了一個(gè)相敏實(shí)驗(yàn)來研究非中心對(duì)稱超導(dǎo)體的配對(duì)態(tài)。在α-BiPd介觀多晶中觀察到的Little-Parks效應(yīng)，α-BiPd環(huán)揭示了半整數(shù)磁通量子化的存在，這為自旋-三重態(tài)配對(duì)態(tài)的存在提供了決定性證據(jù)。

博科園｜研究/來自：約翰·霍普金斯大學(xué)

參考期刊《物理評(píng)論快報(bào)》

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