新型量子可视化技术助力识别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最终确定某种材料是否能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》，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Dung-Hai Lee教授主导的理论研究工作，以及圣路易斯华盛顿大学Sheng Ran教授和马里兰大学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小组的研究人员最终确定了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材料，其表面存在名为马约拉纳费米子的新型量子粒子。理论上，这些粒子可用于稳定存储量子信息，且不受当前量子计算机所困扰的噪声和紊乱干扰。物理学家寻找本征拓扑超导体已长达数十年，但此前从未发现完全符合条件的材料。

自2019年发现以来，UTe₂一直被认为是本征拓扑超导体的强候选材料，但此前未有研究能最终评估其适用性——直至本次突破。

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)。戴维斯研究小组的博士研究员Joe Carroll与玛丽·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是否属于正确的拓扑超导体类型。

使用"安德烈夫"扫描隧道显微镜进行的实验（该设备仅存在于科克Davis教授实验室、英国牛津大学和美国康奈尔大学）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，这项首创实验本身就是重大突破。

Carroll描述该实验时表示："传统上研究人员使用金属探针测量来寻找拓扑超导体。之所以如此，是因为金属是简单材料，本质上不会影响实验结果。我们的新技术突破在于使用另一种超导体探测UTe₂表面。这种方法排除了正常表面电子对测量的干扰，仅留下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。

量子计算机能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。目前全球政府和企业竞相研发具有更多量子比特的量子处理器，但这些量子计算的脆弱特性阻碍了重大进展。

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

微软说明，实现这一突破需要基于精密设计的传统材料堆栈合成拓扑超导体。

但戴维斯研究小组的新成果意味着，科学家现在可以寻找单一材料替代这些复杂电路，有望提高量子处理器效率，在单个芯片上集成更多量子比特，从而推动我们更接近下一代量子计算。