这个简易磁学方法有望彻底变革量子计算领域

在原子尺度上，物理定律与我们日常宏观世界的定律不同。在那里，粒子遵循量子物理定律，这意味着它们可以同时处于多种状态，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，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。

但在量子计算能实际造福社会之前，物理学家需要解决一个重大挑战。量子比特（qubit）作为量子计算机的基本单位，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一种可能性：创造能在其基本结构——拓扑结构——中提供更好保护以抵御此类干扰和噪声的材料。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态，它们比其他量子态显著更稳定、更具韧性。然而，挑战在于寻找天然支持这类鲁棒量子态的材料。

新开发材料可抵御干扰

如今，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出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特量子材料，在暴露于外部干扰时仍能保持其量子特性。它有助于开发足够鲁棒的量子计算机，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》上的该研究主要作者光泽·陈说道。

'奇特量子材料'是多种具有极端量子特性的新型固体类别的统称。寻找具有特殊弹性特性的此类材料一直是一个长期挑战。

磁性是新策略的关键

传统上，研究人员遵循一种成熟的'配方'，该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——以产生拓扑激发态。然而，这种'成分'相对罕见，因此该方法只能在有限数量的材料上使用。

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——来实现相同的效果。通过利用磁相互作用，研究人员成功设计了拓扑量子计算所需的鲁棒拓扑激发态。

"我们方法的优势在于磁性天然存在于众多材料中。你可以将其比作用日常配料烘烤，而非使用稀有香料，"光泽·陈解释道。"这意味着我们现在可以在更广泛的材料谱系中寻找拓扑特性，包括那些曾被忽视的材料。"

为下一代量子计算机平台铺路

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特材料，"光泽·陈表示。"最终，这可以催生基于天然抗干扰材料的下一代量子计算机平台，这些干扰目前正困扰着现有系统。"