研究人员揭示了一种新型量子材料，可通过磁性保护精密量子比特免受环境干扰，从而大幅提升量子计算机的稳定性。与传统依赖罕见自旋轨道相互作用的方法不同，该技术利用磁性相互作用——这在多种材料中普遍存在——来构建强健的拓扑激发态。结合全新研发的专用计算工具筛选此类材料，该突破有望为实用化抗干扰量子计算机铺平道路。
在原子尺度上，物理定律与我们日常宏观世界中的定律不同。在那里，粒子遵循量子物理定律，这意味着它们可以同时存在于多种状态，并以经典物理学中不可能的方式相互影响。这些奇特而强大的现象是量子计算和量子计算机的关键所在，它们有潜力解决当今任何传统超级计算机都无法处理的问题。
但在量子计算能够在实践中造福社会之前，物理学家需要解决一个重大挑战。量子比特（量子计算机的基本单元）极其脆弱。温度、磁场乃至微观振动的微小变化都会导致量子比特丢失其量子态——从而也失去了可靠执行复杂计算的能力。
为解决此问题，近年来研究人员开始探索在基础结构（拓扑结构）中创造新材料的可能性，这些材料能从根本上提供更好的保护以抵御此类干扰和噪声。通过量子比特所用材料的结构产生并维持的量子态被称为拓扑激发，它比其他量子态显著更稳定、更具韧性。然而，寻找能天然支持这种鲁棒量子态的材料仍是挑战。
新研发的材料可抵御干扰
现在，由查尔姆斯理工大学、阿尔托大学和赫尔辛基大学组成的研究团队开发了一种用于量子比特的新型量子材料，该材料展现出鲁棒的拓扑激发。这一突破是通过直接在材料设计中构建稳定性，向实现实用拓扑量子计算迈出的重要一步。
"这是一种全新类型的奇异量子材料，能在暴露于外部干扰时保持其量子特性。它有助于开发足够鲁棒的量子计算机，在实践中处理量子计算任务，"查尔姆斯理工大学应用量子物理学博士后研究员、发表在《物理评论快报》上这项研究的主要作者陈光泽（音译）表示。
'奇异量子材料'是对具有极端量子特性的几类新型固体的统称。寻找具有特殊抗扰特性的此类材料一直是一项长期挑战。
磁性是新策略的关键
传统上，研究人员遵循一个成熟的'配方'，基于自旋轨道耦合——一种将电子自旋与其绕原子核运动轨道相联系的量子相互作用——来创造拓扑激发。然而，这种'成分'相对罕见，因此该方法只能应用于有限数量的材料。
在本研究中，研究团队提出了一种全新的方法，利用磁性（一种更常见且易获取的成分）实现了相同的效果。通过利用磁相互作用，研究人员成功设计出了拓扑量子计算所需的鲁棒拓扑激发。
"我们方法的优势在于磁性天然存在于许多材料中。你可以将其比喻为用日常食材烘焙，而非使用稀有香料，"陈光泽解释道。"这意味着我们现在可以在更宽广的材料光谱中寻找拓扑特性，包括那些先前被忽视的材料。"
为下一代量子计算机平台铺平道路
为加速发现具有实用拓扑特性的新材料，研究团队还开发了一种新的计算工具。该工具可直接计算材料展现拓扑行为的强度。
"我们希望这种方法有助于指导发现更多奇异材料，"陈光泽说。"最终，这有望催生基于天然抗干扰材料的下一代量子计算机平台，从而解决困扰当前系统的干扰问题。"