新型量子可视化技术以识别用于下一代量子计算的候选材料

这一重大突破意味着，研究人员首次找到了能够一劳永逸地确定某种材料是否可有效用于特定量子计算微芯片的方法。

主要研究成果今日发表于学术期刊《科学》（Science），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的Dung-Hai Lee教授的理论主导工作，以及圣路易斯华盛顿大学的Sheng Ran教授和马里兰大学的Johnpierre Paglione教授分别负责的材料合成工作。

利用全球仅三个实验室拥有的设备，科克大学戴维斯研究组的研究人员最终确定了一种已知超导体——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，且不受困扰当前量子计算机的噪声和无序干扰。数十年来，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，UTe₂一直被认为是实现本征拓扑超导性的强候选材料，但此前未有研究能明确评估其适用性。

科克大学量子物理学教授Séamus Davis发明了一种新型工作模式的扫描隧道显微镜（STM）。由戴维斯研究组的博士研究员Joe Carroll和玛丽·居里博士后研究员Kuanysh Zhussupbekov领导的团队，利用该设备最终确定了UTe₂是否为正确的拓扑超导体类型。

使用"安德烈夫"STM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确切类型。

然而，这项开创性的实验本身即是一项突破。

Carroll先生在被问及实验时如此描述："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作为探针来探测UTe₂的表面。通过这种方法，我们将普通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数秒内解决当前计算机需耗费数年才能完成的复杂数学问题。目前，全球各国政府和企业正竞相开发具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"全球首个由拓扑核心驱动的量子处理单元（QPU）"。

微软解释称，实现这一进展需要基于精心设计的传统材料堆栈合成拓扑超导体。

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电路，这有望提高量子处理器的效率，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。