新型量子可视化技术助力筛选下一代量子计算材料

这项重大突破意味着，研究人员首次找到了一种能够一劳永逸判定某种材料是否适用于特定量子计算芯片的方法。

该重要研究成果今日发表于学术期刊《科学》，源于加州大学伯克利分校李东海教授领衔的理论研究团队、圣路易斯华盛顿大学Sheng Ran教授与马里兰大学Johnpierre Paglione教授分别主导的材料合成团队之间的大型国际合作。

通过使用全球仅三个实验室拥有的特殊设备，科克大学戴维斯研究组的科学家们最终确认了已知超导体二碲化铀（UTe₂）是否具备本征拓扑超导体所需的特性。

拓扑超导体是一种特殊材料，其表面存在被称为马约拉纳费米子的新型量子粒子。理论上这些粒子可稳定存储量子信息，且不受当前量子计算机常见噪声与无序态的干扰。物理学家寻找本征拓扑超导体已长达数十年，但迄今未发现完全符合条件的材料。

自2019年发现以来，UTe₂一直被视为本征拓扑超导体的强候选材料，但此前从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发明的新型扫描隧道显微镜（STM）模式下，由戴维斯课题组博士生Joe Carroll与玛丽·居里博士后Kuanysh Zhussupbekov带领的团队，最终确定了UTe₂是否属于理想的拓扑超导体。

使用"安德列夫"扫描隧道显微镜（该设备仅存在于科克大学戴维斯教授实验室、英国牛津大学和纽约康奈尔大学）进行的实验证实，UTe₂确实是本征拓扑超导体，但并非物理学家一直寻找的那种理想类型。

尽管如此，这项开创性实验本身仍是重大突破。

Carroll在描述实验时表示："传统研究方法采用金属探针进行测量，因为金属是简单材料，基本不会干扰实验结果。我们的新技术使用另一种超导体来探测UTe₂表面，从而排除了普通表面电子的干扰，只留下马约拉纳费米子的信号。"

Carroll进一步强调，该技术将帮助科学家直接判定其他材料是否适用于拓扑量子计算。

量子计算机能在数秒内解决当前计算机需耗时数年才能完成的复杂数学问题。目前全球政府与企业正竞相开发具有更多量子比特的量子处理器，但量子计算的脆弱性严重制约了重大进展。

今年早些时候，微软发布了号称"全球首个采用拓扑核心的量子处理单元（QPU）"的Majorana 1系统。

微软解释称，这一突破需要基于精密设计的传统材料堆栈来合成拓扑超导体。

而戴维斯研究组的新发现意味着，科学家现在可以寻找单一材料替代这些复杂电路结构，有望提升量子处理器效率，在单个芯片上集成更多量子比特，从而推动下一代量子计算的发展。