新型量子可视化技术以识别可用于下一代量子计算的候选材料

这项重大突破意味着，研究人员首次找到了能够一劳永逸地确定某种材料是否可有效用于特定量子计算微芯片的方法。

主要研究成果今日发表在学术期刊Science（《科学》）上，这是一项大型国际合作研究的成果，其中包括加州大学伯克利分校李东海教授领导的重要理论工作，以及圣路易斯华盛顿大学盛然教授和马里兰大学约翰皮埃尔·帕格利昂教授分别负责的材料合成工作。

利用全球仅三个实验室拥有的设备，科克大学戴维斯研究组的研究人员最终确认了已知超导体二碲化铀（UTe₂）是否具备成为本征拓扑超导体所需的特性。

拓扑超导体是一种独特的材料，其表面承载着名为马约拉纳费米子的新型量子粒子。理论上它们可用于稳定存储量子信息，不受当前量子计算机面临的噪声和紊乱干扰。物理学家们寻找本征拓扑超导体已有数十年，但迄今发现的材料均未能完全符合要求。

自2019年发现以来，UTe₂一直被认为是实现本征拓扑超导性的有力候选材料，但此前未有研究能够明确评估其适用性。

科克大学量子物理学教授谢默斯·戴维斯发明了一种新型工作模式的扫描隧道显微镜（STM）。由戴维斯研究组博士生研究员乔·卡罗尔和玛丽·居里博士后研究员库安尼什·朱苏普别科夫领导的团队，借助该设备最终确定了UTe₂是否属于正确的拓扑超导体类型。

使用"安德列夫"扫描隧道显微镜开展的实验——该设备仅存在于科克戴维斯教授实验室、英国牛津大学及纽约康奈尔大学——发现UTe₂确实是本征拓扑超导体，但并非物理学家们一直寻找的确切类型。

然而，这项开创性的实验本身就是一项突破。

当被问及该实验时，卡罗尔先生如此描述："传统上，研究人员通过金属探针进行测量来寻找拓扑超导体。他们这样做是因为金属是简单材料，本质上不会对实验产生影响。我们技术的新颖之处在于使用另一种超导体来探测UTe₂的表面。通过这种方法，我们将普通表面电子从测量中排除，仅留下马约拉纳费米子。"

卡罗尔进一步强调，该技术将使科学家能够直接判断其他材料是否适用于拓扑量子计算。

量子计算机有能力在数秒内解决当前计算机需要数年才能完成的复杂数学问题。目前，世界各国政府和企业竞相开发具有越来越多量子比特的量子处理器，但这些量子计算的不稳定性正阻碍着重大进展。

今年早些时候，微软发布了Majorana 1，该公司称其为"世界上首个由拓扑核心驱动的量子处理单元（QPU）"。

微软解释称，为实现这一进展，需要基于精心设计的传统材料堆栈合成拓扑超导体。

然而戴维斯研究组的新成果意味着，科学家现在可以寻找单一材料来替代这些复杂电路，这有望提高量子处理器的效率，使单个芯片容纳更多量子比特，从而推动我们更接近下一代量子计算。