新型量子可视化技术助力识别次世代量子计算材料

这一重大突破意味着，研究人员首次找到了一种方法，可以一劳永逸地确定某种材料是否能有效用于某些量子计算微芯片。

这项主要发现今日发表在学术期刊《科学》（Science）上，是一次大型国际合作的结果，其中包括加州大学伯克利分校的Dung-Hai Lee教授领导的理论工作，以及分别来自圣路易斯华盛顿大学和马里兰大学的Sheng Ran教授和Johnpierre Paglione教授完成的材料合成工作。

位于科克大学（UCC）的戴维斯研究小组，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，在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，不受困扰当前量子计算机的噪声和紊乱影响。几十年来，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所有条件。

自2019年发现以来，UTe₂一直被认为是本征拓扑超导性的有力候选材料，然而此前尚无研究明确评估其适用性。

利用科克大学量子物理学教授Séamus Davis发明的一种新型操作模式的扫描隧道显微镜（STM），由戴维斯研究小组的博士研究员Joe Carroll和玛丽·居里博士后研究员Kuanysh Zhussupbekov领导的团队，最终得出了UTe₂是否属于正确拓扑超导体类型的结论。

使用“安德列夫”（Andreev）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爱尔兰科克、英国牛津大学和美国纽约康奈尔大学的实验室——发现UTe₂确实是一种本征拓扑超导体，但并非物理学家一直寻找的那种确切类型。

然而，这项首创的实验本身就是一个突破。

当被问及该实验时，Carroll先生描述如下：“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，我们将正常的表面电子排除在测量之外，仅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答当前计算机需要数年才能解决的复杂数学问题。目前，世界各国政府和公司正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提供动力的量子处理单元（QPU）”。

微软解释说，要实现这一进步，需要用到基于精心设计的传统材料堆栈合成的拓扑超导体。

然而，戴维斯研究小组的新工作意味着，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。