研究人员揭示了一种新型量子材料，该材料通过利用磁性保护脆弱的量子位免受环境干扰，可显著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——普遍存在于多种材料中——来构建稳健的拓扑激发态。结合新型计算工具对这类材料的筛选能力，此项突破有望为实用化抗干扰量子计算机的发展铺平道路。
在原子尺度上，物理定律与我们日常宏观世界中的定律截然不同。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中，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，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、磁场甚至微观振动的细微变化都会导致量子比特失去其量子态——进而丧失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其基本结构（拓扑结构）中创建能更好抵御此类干扰和噪声的材料。由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态，其稳定性和抗干扰性显著优于其他量子态。然而，寻找天然支持如此稳健量子态的材料依然是项挑战。
新开发材料可抵御干扰
目前，查尔姆斯理工大学、阿尔托大学和赫尔辛基大学的研究团队开发了一种新型量子比特材料，该材料展现出稳健的拓扑激发态。这一突破通过将稳定性直接构建于材料设计中，为实现实用拓扑量子计算迈出了重要一步。
"这是一种全新类型的奇异量子材料，在暴露于外部干扰时仍能保持其量子特性。它有助于开发足够稳健的量子计算机，在实践中处理量子计算，"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》上的研究第一作者陈广泽（音译）表示。
"奇异量子材料"是数类具有极端量子特性的新型固体的统称。寻找具有特殊抗干扰特性的此类材料一直是项长期挑战。
磁性是新策略的关键
传统上，研究人员遵循基于自旋轨道耦合的既定"配方"——这种量子相互作用将电子自旋与其绕原子核的运动轨道联系起来，从而产生拓扑激发态。然而，这种"成分"相对稀少，因此该方法仅能应用于有限数量的材料。
本研究中，研究团队提出了一种全新方法：利用磁性（一种更常见且易获取的成分）实现同等效果。通过控制磁相互作用，研究人员成功构建出拓扑量子计算所需的稳健拓扑激发态。
"我们方法的优势在于磁性天然存在于众多材料中。这好比用日常食材烘焙，而非使用稀有香料，"陈广泽解释道。"这意味着我们现在可以在更广泛的光谱材料中寻找拓扑特性，包括那些先前被忽视的材料。"
为新一代量子计算平台铺路
为加速发现具有实用拓扑特性的新材料，研究团队还开发了新型计算工具。该工具能直接计算材料呈现拓扑行为的强度。
"我们希望该方法能帮助指导发现更多奇异材料，"陈广泽表示。"最终，这将催生基于天然抗干扰材料构建的新一代量子计算平台，从根本上解决现有系统所受的困扰。"