新型量子可视化技术助力下一代量子计算材料识别

这项重大突破意味着，研究人员首次找到了一种方法，可以彻底确定某种材料是否能有效用于特定的量子计算微芯片。

主要研究结果已于今日发表在学术期刊《科学》上，这是一项大型国际合作研究的成果，其中包括加州大学伯克利分校的李东海教授领导的重大理论工作，以及分别来自圣路易斯华盛顿大学的盛然教授和马里兰大学的约翰皮埃尔·帕格里奥内教授完成的材料合成工作。

位于科克大学（UCC）的戴维斯研究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（UTe ₂）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，而不会受到困扰当前量子计算机的噪声和无序干扰。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要求。

自2019年发现以来，UTe ₂ 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能明确评估其适用性。

运用科克大学量子物理学教授塞马斯·戴维斯发明的新型操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乔·卡罗尔和玛丽·居里博士后研究员库阿内什·朱苏普别科夫领导的团队，最终确定了UTe ₂ 是否为理想的拓扑超导体类型。

使用“安德列夫”STM（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中）进行的实验发现，UTe ₂ 确实是一种本征拓扑超导体，但它并非物理学家们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个突破。

当被问及该实验时，卡罗尔先生描述如下：“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，我们使用另一种超导体来探测UTe₂的表面。通过这样做，我们将普通的表面电子排除在测量之外，只留下马约拉纳费米子。”

卡罗尔进一步强调，该技术将使科学家能够直接确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当代计算机需要数年才能解决的复杂数学问题。目前，全球各国政府和公司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质阻碍了重大进展。

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驱动的量子处理单元（QPU）”。

微软解释道，为实现这一进展，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，从而可能提高量子处理器的效率，并在单个芯片上容纳更多的量子比特，使我们更接近下一代量子计算。