我國科學家在鐵基超導領域取得重大進展 助力量子計算技術進一步發(fā)展

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中國科學院物理研究所高鴻鈞研究員帶領的聯(lián)合團隊在鐵基超導材料鋰鐵砷中首次實現(xiàn)了大面積、高度有序和可調控的馬約拉納零能模格點陣列，這一發(fā)現(xiàn)向著實現(xiàn)拓撲量子計算邁進了一步。該成果于6月8日在《自然》上刊發(fā)。

宇宙中存在一種神奇的基本粒子，它的反粒子是它自身，這種粒子被稱為馬約拉納費米子。在固體材料中可能出現(xiàn)的與其類似的粒子，被稱為馬約拉納零能模，其編織操作可用于拓撲量子計算。

中國科學院物理研究所高鴻鈞研究員帶領的聯(lián)合團隊，在鐵基超導材料鋰鐵砷中首次實現(xiàn)了大面積、高度有序和可調控的馬約拉納零能模格點陣列，并觀測到了調控引起的馬約拉納零能模相互作用，向拓撲量子計算的實現(xiàn)邁出了重要一步。該成果于北京時間6月8日在國際學術期刊《自然》上刊發(fā)。

探 索

實現(xiàn)容錯拓撲量子計算的重要途徑

“道生一，一生二，二生三，三生萬物”，這是古人對世界的認知和理解，表達了萬物由簡而繁的構造過程。對物理學家而言，萬物都是可以拆分的：一杯水，可以拆分為很多水滴；一個水滴，可以拆分為很多水分子；一個水分子，可以拆分為兩個氫原子和一個氧原子；一個原子，可以進一步拆分為電子、夸克等微觀粒子。拆分到最后，物理學家們發(fā)現(xiàn)所謂的“萬物”，其實都是由60多種基本粒子構成的。對這60多種基本粒子及其性質的探索發(fā)現(xiàn)，是粒子物理學家的研究目標。

這些基本粒子按照統(tǒng)計規(guī)律的不同可以劃分為玻色子和費米子兩大類，例如人們所熟知的光子屬于玻色子，電子屬于費米子。對于費米子而言，大多數(shù)費米子的反粒子與它本身不同，例如電子的反粒子是正電子，帶有一個單位的正電荷。這類費米子被稱為“狄拉克費米子”，以物理學家保羅·狄拉克命名。

宇宙中還有另一種神奇的基本粒子，它的反粒子是它本身。這種基本粒子叫做“馬約拉納費米子”，是由物理學家埃托雷·馬約拉納在1937年理論預言的。然而在其預言后的80多年時間里，粒子物理學家們始終未能在廣袤宇宙中找到該粒子存在的確切證據(jù)。

在物理學的另一大分支——凝聚態(tài)物理領域，理論學家預言，在固體材料中可能會出現(xiàn)與馬約拉納費米子類似的粒子，這種粒子被稱為馬約拉納準粒子，或是馬約拉納零能模。

中科院物理所副研究員李更說：“馬約拉納零能模的統(tǒng)計規(guī)律既不像玻色子，也不像費米子，而是表現(xiàn)為一種獨特的非阿貝爾統(tǒng)計規(guī)律。這種準粒子的編織操作被認為是實現(xiàn)容錯拓撲量子計算的重要途徑。”

發(fā) 現(xiàn)

在鐵基超導體上觀測到了馬約拉納零能模

量子計算機遵循量子力學規(guī)律，因其處理復雜問題時相比傳統(tǒng)計算機有著巨大的優(yōu)越性而被公眾所熟知。目前，世界上許多國家的政府和科技巨頭企業(yè)均投入了巨大精力發(fā)展量子計算。量子計算的主要挑戰(zhàn)在于量子態(tài)很容易受環(huán)境的干擾，產生退相干現(xiàn)象，使得計算過程中會不斷地產生錯誤，影響計算結果的準確性。而由馬約拉納零能模組成的非局域拓撲量子比特，可以從原理上解決量子退相干問題，引起了研究人員的廣泛關注。

在早期觀測馬約拉納準粒子載體材料中，比較有代表性的材料體系包括常規(guī)超導體近鄰下的半導體納米線、常規(guī)超導體表面的磁性原子鏈，以及超導體—拓撲絕緣體界面等。這些材料往往存在制備困難、對極低溫的要求較苛刻等問題。

2018年，高鴻鈞研究團隊與丁洪研究團隊合作，利用其自主設計組裝的國際頂尖水平的極低溫強磁場掃描隧道顯微鏡/譜聯(lián)合系統(tǒng)，精確測量了鐵基超導體鐵碲硒單晶樣品的超導渦旋，首次在鐵基超導體中觀測到馬約拉納零能模。

高鴻鈞說：“與之前的材料體系相比，鐵基超導體具有材料簡單和觀測溫度高等優(yōu)勢，并且可以觀測到純凈的馬約拉納零能模。”

隨后幾年里，研究團隊對鐵基超導體中的馬約拉納零能模做了一系列進一步研究，澄清了馬約拉納零能模的拓撲本質；觀測到了馬約拉納零能模的近量子化電導平臺特征，給出了鐵基超導體中存在馬約拉納零能模的關鍵性實驗證據(jù)；在鐵磷基超導體上觀測到了馬約拉納零能模，極大地擴展了馬約拉納零能模載體平臺。

然而，這些鐵基超導材料體系還是存在著材料組分不均一、磁通渦旋陣列無序且不可控以及馬約拉納零能模占比低等問題，阻礙了其進一步的研究和應用。如何突破當前研究瓶頸，獲得大面積、高度有序且可調控的馬約拉納零能模陣列，向拓撲量子計算更進一步，是當前鐵基超導馬約拉納領域亟待解決的問題之一。

意 義

為實現(xiàn)馬約拉納零能模的編織以及拓撲量子計算奠定了堅實基礎

此次高鴻鈞研究團隊對鐵基超導體鋰鐵砷進行了細致而深入的研究。利用多年積累的強大的掃描隧道顯微鏡研究平臺和豐富的研究經驗，團隊在實驗中發(fā)現(xiàn)，應力可以誘導出大面積、高度有序和可調控的馬約拉納零能模陣列。

高鴻鈞說：“我們這項研究重要意義在于首次實現(xiàn)了大面積、高度有序和可調控的馬約拉納零能模陣列，并觀測到了調控引起的馬約拉納零能模相互作用，為下一步實現(xiàn)馬約拉納零能模的編織以及拓撲量子計算奠定了堅實的基礎?！?/p>

談及下一步的研究計劃，高鴻鈞表示，希望能進一步實現(xiàn)馬約拉納零能模的編織，“如果能實現(xiàn)的話，這應該是一個世界級的突破。但即使編織實現(xiàn)，離真正實現(xiàn)拓撲量子計算機還有很遠的路要走?！?/p>

（原載于《人民日報》 2022-06-10 12版）