用于识别下一代量子计算所需材料的全新量子可视化技术

这一重大突破意味着，研究人员首次找到了一种方法，能够一劳永逸地确定某种材料是否可以有效地用于特定的量子计算微芯片。

主要发现已发表在今天的学术期刊《科学》上，这是一项大型国际合作的结果，其中包括加州大学伯克利分校Dung-Hai Lee教授在理论方面的主导工作，以及分别来自华盛顿大学圣路易斯分校的Sheng Ran教授和马里兰大学的Johnpierre Paglione教授在材料合成方面的贡献。

利用全球仅三个实验室拥有的设备，位于科克大学（UCC）的戴维斯研究组的研究人员能够明确判定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，而不受困扰当前量子计算机的噪声和无序干扰。物理学家数十年来一直在寻找本征拓扑超导体，但从未发现一种能满足所有要求的材料。

自2019年被发现以来，UTe₂一直被认为是本征拓扑超导性的有力候选材料，然而此前没有任何研究对其适用性做出明确评估——直到现在。

应用科克大学量子物理学教授Séamus Davis发明的一种新型扫描隧道显微镜（STM）操作模式，由戴维斯研究组博士研究员Joe Carroll和玛丽居里博士后研究员Kuanysh Zhussupbekov领导的团队，最终明确判定UTe₂是否为正确的拓扑超导体类型。

使用“安德烈夫STM”（仅在戴维斯教授位于科克、英国牛津大学和美国纽约康奈尔大学的实验室中存在）进行的实验发现，UTe₂确实是一种本征拓扑超导体，但并非物理学家一直在寻找的确切类型。

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，Carroll先生如此描述：“传统上，研究人员通过使用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的材料，因此在实验中基本不起作用。我们技术的新颖之处在于，我们使用另一种超导体来探测UTe₂的表面。通过这种方式，我们将正常表面电子排除在测量之外，只留下马约拉纳费米子。”

Carroll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。

量子计算机有能力在几秒钟内解答复杂的数学问题，而当前的计算机则需要数年时间才能解决。目前，全球各国政府和公司正在竞相开发拥有越来越多量子比特的量子处理器，但这些量子计算的脆弱性阻碍了重大进展。

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提供动力量子处理单元（QPU）”。

微软解释说，要实现这一进步，需要基于精心设计的传统材料堆栈的合成拓扑超导体。

然而，戴维斯研究组的新工作意味着，科学家现在可以找到单一材料来替代这些复杂的电路，这有望提高量子处理器的效率，并在单个芯片上容纳更多量子比特，从而让我们更接近下一代量子计算。