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科学家发现铁基超导材料中存在马约拉纳准粒子，助力量子计算进一步发展

文章来源：贤集网更新时间：2022-06-09 14:14:47

当目前的量子计算在努力突破容错性、退相干等发展瓶颈时，物理学家向更可靠、更稳定的未来量子技术——拓扑量子计算的实现，迈出了重要一步。
记者从中科院物理所了解到，该所高鸿钧院士带领的联合团队在铁基超导材料锂铁砷中观测到大面积、高度有序和可调控的马约拉纳准粒子格点阵列，向拓扑量子计算的实现迈出了重要一步。北京时间6月8日深夜，这一研究成果在《自然》杂志上发表。
“道生一，一生二，二生三，三生万物。”这是古人对世界的认知和理解，表达了万物由简而繁的构造过程。
对物理学家而言，世间万事万物都是可以拆分的：一杯水，可以拆分为很多的水滴；一个水滴，可以拆分为很多的水分子；一个水分子，可以拆分为两个氢原子和一个氧原子；一个原子，可以进一步拆分为电子、夸克等微观粒子。
拆分到最后，物理学家们发现所谓的“万物”，其实都是由60多种基本粒子构成的。对这60多种基本粒子及其性质的探索发现，便是物理学家所追求的“道”。

1 反粒子就是自身可编织未来量子技术 " 基石 "

马约拉纳费米子是一种神奇的基本粒子，不同于一般费米子，它的反粒子是它自身。1937 年，意大利物理学家埃托雷 ? 马约拉纳理论预言了它的存在。

在此后 80 多年里，虽然在广袤宇宙中找不到其存在的确切证据，但凝聚态物理领域专家认为，在固体材料中可能会出现与马约拉纳费米子类似的粒子—— " 马约拉纳准粒子 " 或 " 马约拉纳零能模 "。

" 四个马约拉纳零能模就可编织成一个拓扑量子比特，所以这种准粒子的编织操作被认为是实现容错拓扑量子计算的重要途径。" 论文通讯作者高鸿钧研究员介绍，马约拉纳零能模的统计规律既不像玻色子，也不像费米子，而是服从一种独特的非阿贝尔统计规律。

目前，全球竞争趋于白热化的量子计算机，面临的主要挑战在于量子态很容易受环境的干扰，产生退相干现象，这使得计算过程中会不断产生错误。" 现在的量子计算为了纠错，需要占用大量的量子比特。" 汪自强说。

而由马约拉纳零能模组成的非局域拓扑量子比特，可以从原理上解决量子计算无法避免的量子退相干问题，因此受到研究人员的广泛关注——这或将是一条路径，可以发展出更可靠、更稳定的未来量子计算技术。

2 五年艰辛探索寻觅马约拉纳零能模载体

那么，在怎样的固体材料中，才能找到更多的马约拉纳准粒子？

过去，物理学家找到的一些载体，比如常规超导体近邻下的半导体纳米线、常规超导体表面的磁性原子链，以及超导体 - 拓扑绝缘体界面等材料体系，往往存在制备困难、对极低温的要求较苛刻等问题。

为解决这个难题，高鸿钧带领团队进行了长达五年的艰辛探索。

2018 年，高鸿钧团队与丁洪研究团队合作，首次在铁基超导材料中观测到马约拉纳零能模。与之前的材料体系相比，铁基超导体具有材料简单和观测温度高等优势，并且可以观测到纯净的马约拉纳零能模。

随后，他们针对马约拉纳零能模只在部分磁通涡旋中存在这一问题，对铁基超导中的马约拉纳零能模进一步研究，澄清了马约拉纳零能模的拓扑本质。

2020 年，他们进一步观测到了马约拉纳零能模的近量子化电导平台特征，给出了铁基超导体中存在马约拉纳零能模的关键性实验证据。与此同时，他们还在铁磷基超导体中观测到了马约拉纳零能模，极大地扩展了马约拉纳零能模载体平台。

3 最新研究进展有望构建拓扑量子比特

然而，这些铁基超导材料体系仍存在不少缺陷，无法成为操控马约拉纳零能模的理想载体。如何突破瓶颈，就成了当前铁基超导马约拉纳领域亟待解决的问题之一。

最近，高鸿钧研究团队在对铁基超导体锂铁砷的研究中发现，应力可以诱导出大面积、高度有序和可调控的马约拉纳零能模阵列。

最近的本次研究中，合作团队对铁基超导体锂铁砷进行细致而深入的研究，他们利用多年积累的强大的扫描隧道显微镜研究平台和丰富的研究经验在实验上发现，应力可以诱导出大面积、高度有序和可调控的马约拉纳零能模格点阵列。

这次研究重大发现的内容主要包括四个方面：

一是晶体中的自然应力可诱导产生双轴电荷密度波条纹，沿着铁-铁和砷-砷晶格方向，其波长分别为2.7纳米和24.3纳米。

二是波长为24.3纳米的电荷密度波对超导能隙具有明显的调制作用，当施加垂直于样品表面的磁场后，形成的磁通涡旋全部被钉扎在超导序较弱的砷-砷方向电荷密度波条纹上，形成有序的涡旋阵列。

三是双轴电荷密度波的存在使得晶体对称性降低，从而改变了费米能级附近的拓扑能带结构，使得超过90%的磁通涡旋中心具有马约拉纳零能模，形成高度有序的马约拉纳零能模阵列。

四是这种有序的马约拉纳零能模阵列可被外磁场调控，随着磁场增加，涡旋间距减小，马约拉纳零能模间的相互作用开始凸显。

高鸿钧总结表示，马约拉纳零能模的阵列和相互作用可以被外磁场很好的调控，在固体材料中的马约拉纳零能模编织操作可用于拓扑量子计算。他们的研究发现对于实现马约拉纳零能模的编织以及拓扑量子计算具有里程碑意义，向拓扑量子计算的实现迈出了重要一步。

原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_511104.html
来源：贤集网
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