研究人员公布了一种新型量子材料，可通过磁性保护脆弱的量子比特免受环境干扰，从而大幅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，该技术利用常见于多种材料的磁相互作用，创造出强健的拓扑激发态。结合新型计算工具（可高效筛选此类材料），该突破有望为实现实用化、抗干扰量子计算机铺平道路。
在原子尺度上，物理定律与我们日常宏观世界中的定律有所不同。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，并以经典物理学中不可能的方式相互影响。这些奇特但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（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微小变化都会导致量子比特失去其量子态——从而也丧失可靠执行复杂计算的能力。
为解决这一问题，近年来研究人员开始探索在基本结构（即其拓扑结构）中创造能够更好抵御此类干扰和噪声的材料。通过量子比特所用材料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，寻找天然支持此类稳健量子态的材料仍是挑战。
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具有稳健拓扑激发态的新型量子比特材料。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重要一步。
"这是一种全新类型的奇异量子材料，能在外部干扰下保持其量子特性。它有助于开发足够稳健的量子计算机，以实际执行量子计算，"查尔姆斯理工大学应用量子物理学博士后研究员、发表于《物理评论快报》的研究第一作者陈光泽（Guangze Chen）表示。
'奇异量子材料'是对多类具有极端量子特性的新型固体的统称。寻找具有特殊稳健特性的此类材料一直是长期挑战。
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成熟'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关联，从而产生拓扑激发态。但这种'成分'相对罕见，因此该方法仅适用于有限数量的材料。
本研究中，研究团队提出一种全新方法：利用更常见且易获取的成分——磁性，实现相同效果。通过调控磁相互作用，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。这好比用普通食材而非稀有香料进行烘焙，"陈光泽解释道。"这意味着我们现在可以在更广泛的材料谱系中探寻拓扑特性，包括那些曾被忽视的材料。"
为下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。该工具可直接量化材料展现拓扑行为的强度。
"我们希望该方法能助力发现更多奇异材料，"陈光泽表示。"最终，这将催生基于天然抵抗现有系统干扰的材料构建的下一代量子计算平台。"