用于识别新一代量子计算材料的全新量子可视化技术

这项重大突破意味着，研究人员首次找到了能够最终确定某种材料是否可以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于学术期刊《科学》，这是一项大型国际合作的研究成果，其中包括加州大学伯克利分校李东海教授的重要理论工作，以及分别来自圣路易斯华盛顿大学的盛然教授和马里兰大学的Johnpierre Paglione教授的材料合成工作。

位于科克大学学院的戴维斯研究组，利用全球仅三个实验室拥有的设备，最终确定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，其表面存在名为马约拉纳费米子的新型量子粒子。理论上，这些粒子可用于稳定存储量子信息，且不受困扰当前量子计算机的噪声和紊乱干扰。数十年来，物理学家一直在寻找本征拓扑超导体，但迄今发现的材料均未能满足全部要求。

自2019年发现以来，UTe₂ 一直被认为是实现本征拓扑超导性的强候选材料，但此前未有研究能最终评估其适用性——直至此次突破。

科克大学学院量子物理学教授塞马斯·戴维斯发明了一种新型工作模式的扫描隧道显微镜（STM）。戴维斯研究组的博士生研究员乔·卡罗尔和玛丽·居里博士后研究员库阿内什·朱苏普别科夫领导的研究团队，利用该设备最终确定了 UTe₂ 是否为理想的拓扑超导体。

使用"安德烈夫"扫描隧道显微镜进行的实验（该设备仅存在于戴维斯教授位于科克、英国牛津大学及美国康奈尔大学的实验室）发现，UTe₂ 确实是本征拓扑超导体，但并非物理学家长期寻找的确切类型。

然而，这项首创性实验本身就是一项突破。

p>卡罗尔先生在描述该实验时表示："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。之所以采用金属，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排除在测量之外，仅保留马约拉纳费米子。"

 

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

量子计算机能够在数秒内解决当前计算机需耗时数年才能完成复杂数学问题。目前，全球各国政府和企业竞相研发具有更多量子比特的量子处理器，但这些量子计算的脆弱性正阻碍重大进展。

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

微软解释称，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，科学家现在能够找到单一材料替代这些复杂电路结构，有望提高量子处理器的效率，并在单芯片上集成更多量子比特，从而推动我们更接近下一代量子计算。