新型量子可视化技术识别下一代量子计算机材料

这一重大突破意味着，研究人员首次找到了能够明确判定某种材料是否可有效用于特定量子计算微芯片的方法。

这项核心研究成果今日发表于学术期刊《科学》，是大型国际合作项目的成果，其中包括加州大学伯克利分校李东海教授主导的理论研究，以及圣路易斯华盛顿大学盛冉教授和马里兰大学Johnpierre Paglione教授分别负责的材料合成工作。

借助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研究人员最终确定：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征。

拓扑超导体是一种独特材料，其表面能承载名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所困扰的噪声和紊乱干扰。数十年来物理学家一直在寻找本征拓扑超导体，但迄今尚未发现完全符合标准的材料。

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，但此前从未有研究明确评估其适用性。

科克大学量子物理学教授Séamus Davis发明了扫描隧道显微镜（STM）的全新工作模式。戴维斯研究组博士生Joe Carroll与玛丽·居里博士后研究员Kuanysh Zhussupbekov领导的团队，运用该技术最终判定UTe₂是否属于目标类型的拓扑超导体。

通过仅在戴维斯教授实验室（爱尔兰科克）、英国牛津大学及美国康奈尔大学配置的"安德列夫"扫描隧道显微镜开展实验，研究发现UTe₂确属本征拓扑超导体，但并非物理学家长期寻找的确切类型。

然而这项开创性实验本身就是重大突破。

谈及该实验时，Carroll先生如此描述："传统研究者采用金属探针进行测量来寻找拓扑超导体。之所以这样做，是因为金属是简单材料，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来探测UTe₂表面。这种方法排除了普通表面电子对测量的干扰，仅保留马约拉纳费米子信号。"

Carroll进一步强调，该技术将使科学家能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答当前计算机需耗时数年才能解决的复杂数学问题。目前全球政府和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阻碍了重大进展。

今年早些时候，微软发布了Majorana 1处理器，该公司宣称这是"全球首个由拓扑核心驱动的量子处理单元（QPU）"。

微软解释称，实现这一突破需要基于精密设计的传统材料堆栈构建合成拓扑超导体。

而戴维斯研究组的新成果意味着，科学家现在可寻找单一材料替代这些复杂电路，有望提升量子处理器效能，在单一芯片上集成更多量子比特，从而推动我们迈向下一代量子计算。