美国物理学家发现新的物质形态拓扑超导态,有望突破量子计算机的研发

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8月19日消息,据物理学家组织网近日报道,美国物理学家发现了四种 新的物质价值形式——拓扑超导态。许多突破有望提高电子设备的存储能力并提升量子计算的能力。尽管许多人为什么会么会让说以传统计算机为代表的硅时代正在终结,量子计算机为什么会么会让为什么会么会让那个“盖棺的人”,但实际上,谁是支撑下一代计算的“硅”,科学界还无法清晰回答,为什么会么会让划出了一有有三个小稍显宽泛的范围,建造量子计算机的“原料”,关键在于超导材料。

美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究团队刚在这方面获得突破,从四种 “老”材料的身上,偶然发现了新的超导价值形式,它并能防止高效量子计算逻辑电路的主要间题,是用于建造量子计算机的潜在实用材料。该研究发现发表在最新一期的 Science 杂志上,并肩参与该研究的还有来自马里兰大学和艾姆斯实验室(Ames Laboratory)的科学家。

研究人员在论文中全部描述了“UTe2(二碲化铀)”在超导材料领域的各种不寻常价值形式,不论是从技术应用深度,还是从基础科学深度都十分有趣。它很为什么会么会让克服工业中的“量子退相干”间题,有望进一步推动量子计算机建造的发展,扮演量子计算机中“硅”的角色。

论文的第一作者 Sheng Ran 于 4008 年本科从复旦大学毕业,刚刚在美国开展了博士学习及刚刚的工作。目前他在 NIST 做访问学者,与该项目的负责人Butch 的研究团队并肩商务商务合作发现了此次突破。

“亲戚朋友的研究成功地揭示了物质拓扑超导新状态的实验证据,”纽约大学(new York University)物理学助理教授贾瓦德•沙巴尼(Javad Shabani)表示。“许多新的拓扑状态并能被操纵,既并能加快量子计算的计算下行下行速率 ,又并能提高存储能力。”

许多发现发表在一篇关于arXiv的论文中,由布法罗大学的Igor Zutic和韦恩州立大学的Alex Matos-Abiague并肩完成。这项工作的重点是量子计算——四种 比传统计算下行下行速率 快得多的计算最好的办法 。这是为什么会么会让传统计算机以0和1的形式防止数字位,而量子计算机部署量子位(量子位)来制表0到1之间的任何值,以指数最好的办法 提高数据防止的能力和下行下行速率 。

在亲戚朋友的研究中,沙巴尼和他的同事们分析了量子态从传统状态到新的拓扑状态的转变,测量了哪些地方地方状态之间的能量势垒,也直接测量了许多转变的价值形式。作为补充,亲戚朋友直接测量了许多转变的价值形式,其顺序参数控制着新的拓扑超导相。

团队将研究重点中放马约拉纳粒子上。马约拉纳粒子是自身的反粒子,所谓反粒子指的是具有相同质量,但具有相反电荷的粒子。

马约拉纳粒子的价值在于,它们有潜力将量子信息存储在一有有三个小特殊的计算空间内,在许多空间中,量子信息不受环境噪声的影响。然而,哪些地方地方粒子也被称为马约拉纳费米子,它们那么碳酸岩的寄主物质,为什么会么会让,研究人员老是在寻求设计平台——累似 新的物质价值形式,并能在其上进行计算。最新研究正是发现了许多新物质价值形式。

沙巴尼说:“新发现的许多在二维平台上的拓扑超导态,为构建可扩展的拓扑量子比特铺平了道路,不仅并能存储量子信息,还并能操纵那么错误的量子状态。”

在这里,亲戚朋友把研究重点中放马略亚纳粒子上。马略亚纳粒子是它们此人 的反粒子——具有相同质量,但具有相反物理电荷的物质。科学家们看到马略亚纳粒子的价值,是为什么会么会让它们有潜力将量子信息存储在一有有三个小特殊的计算空间中,在许多空间中,量子信息不受环境噪声的影响。然而,哪些地方地方粒子也被称为马略阿纳费米子,它们那么碳酸岩的寄主物质。为什么会么会让,研究人员老是在寻求设计平台。这是四种 新形式的物质,并能用来进行哪些地方地方计算。

为什么会么会都要超导材料

目前,“督促”半导体业快速发展的经验法则——摩尔定律即将碰到天花板,许多人说摩尔定律将死。为哪些地方会从前?

这都要从底层说起。在传统计算机的基本逻辑电路中,由晶体管组成“与或非”等各种逻辑门,多个逻辑门组合在并肩就并能让计算机完成许多繁杂的计算。简言之,晶体管就好像一有有三个小控制计算机防止数据的开关,来决定电流是是不是能通过,从而产生了由高低电信号组成的数据——比特(bit)。

目前的晶体管为什么会么会让向几纳米的级别发展,在这该尺寸下,晶体管为什么会么会让和几五个甚至几个原子大小差那么来越多。此时,晶体管的开关价值形式就受到了极大挑战——“量子隧道效应”会造成漏电流。换句话说,为什么会么会让尺寸缩小到量子层面时开关关不上了,而被抛弃了开关价值形式就意味着分析被抛弃了计算功能。

到了量子尺寸,经典物理学的原理受到冲击,亲戚朋友设计和使用电子元件的最好的办法 也要进行革新。科学家便自然地将目光投向了遵循量子力学的量子计算,量子比特的强大计算能力随即吸引了科学界的广泛注意。

图 | 目前量子计算机的价值形式:每一层都由钢外套保护(图为去掉 钢外套后的价值形式),并从顶层向下逐渐冷却,直到最底层的最低温度几乎达到绝对零度(-273℃)(来源:Techspot)

传统计算机采用二进制,对于比特来说,分为 0 和 1 四种 ,通过 0 和 1 的组合并能代表任何数字。而在量子计算机中,其信息单位量子比特(qubit)是是不是 0 和 1,为什么会么会让它还有 0 和 1 之间的一有有三个小任意组合(线性组合),就像“薛定谔的猫”一样,居于一有有三个小“不死不活”的叠加状态。

为什么会么会让将多个量子比特中放并肩,哪些地方地方叠加状态之间又互有关联,并能存储和计算更多的数据。简言之,多个量子比特在某一次操作刚刚是是不是仅代表多个比特“0”和“1”的四种 组合,为什么会么会让并能代表所有为什么会么会让的态。从前在运算的刚刚,采用量子比特则是把所有态并肩计算,可大大加快运算下行下行速率 。

但让科学家们头疼的是,要怎样操控量子计算的运算单元——量子比特。直到有三位物理学家发现了四种 新的材料价值形式,并为什么会么会让获得了 2016 年的诺贝尔物理学奖。David J. Thouless,Duncan Haldane 和 J. Michael Kosterlitz 三人从理论上假设了四种 极端的场景:温度接近绝对零度,并肩磁场超过技术极限;为什么会么会让把物质“拍扁”,变成一有有三个小二维薄片材料。

从前就诞生了四种 超脱于绝缘体和导体的材料——拓扑绝缘体,其体内是绝缘的,但下皮 又是导电的(还是超导)。而由此引出的“拓扑超导体”,则为量子计算机的逻辑电路设计提供了相对有效的材料。目前亲戚朋友为什么会么会让发现了那么来越多 种超导材料,大多数超导体是自旋单线态,在下图左侧小岛上发现的。然而,NIST 此次发现 UTe2 具有四种 罕见的自旋三重态,居于下图右侧的小岛上的山顶位置。

图 | 自旋单线态与自旋三重态的领域对比:UTe2 的哪些地方地方属性使它即便在有俯近环境的干扰下,仍能保持

置于山顶是为什么会么会让 UTe2 对磁场有异常高的抵抗力,能极大程度地减多量子计算中极易产生的误差。根据研究团队的一员 Nick Butch 的说法,UTe2 的特殊表现为什么会么会让使其在新兴的量子计算机行业极具吸引力。

并肩,它很有为什么会么会让防止量子计算机研发过程中的一有有三个小主要间题——要怎样制发明并能让许多计算机的内存存储开关(即为量子比特)运行足够长时间的元件,以便在它们被抛弃作为一有有三个小整体运行的微妙物理关系刚刚完成一次运算。这是一有有三个小先要的间题,为什么会么会让俯近环境的干扰,许多被称为“量子相干性”的关系是先要维系的。

或是量子信息时代的“硅”

“这很为什么会么会让是量子信息时代的‘硅’,”NIST中子研究中心(NCNR)的物理学家Butch评价道,“你并能用 UTe2 来建造一台高下行下行速率 的量子计算机的量子比特(量子位元)元件。”

该研究团队发表在 Science 杂志上的论文,具体描述了 UTe2 的不寻常性能,其中之一为什么会么会让电子通过 UTe2 材料导电的特殊结合最好的办法 。在铜线或许多普通导体中,电子以单个粒子的形式运动,为什么会么会让在所有的超导体中,电子会形成“库珀对”。材料的超导性正和产生库珀对的电磁相互作用有关。

对该超导间题的解释被命名为“BCS 理论”,是以创立该理论的三位科学家名字(J. Bardeen,L. N. Cooper 和 J. R. Schrieffer)来命名的,亲戚朋友也为什么会么会让分享了1972年的诺贝尔物理学奖。

图 | 李政道曾提出的有关 BCS 超导机理的漫画:单翅蜜蜂代表单个电子,下方为蜂窝状的碳 400 系

对于库珀对来说,十分重要的是所有电子都具有被称为量子“自旋”的属性,它使电子的行为就好像每个电子一有有三个小多小的条形磁铁穿过一样。在大多数超导体中,成对电子的量子自旋方向是单一的——其中一有有三个小电子目标向上,而它的伙伴目标向下。许多对立的配对模式被称为“自旋单重态”。

然而,已知的超导体暗含一小偏离 是不墨守成规的,UTe2 似乎为什么会么会让其中之一。该化合物中的库珀对拥有四种 不同组合的自旋方向,使它们成为“自旋三重态”。这四种 组合并能让库珀对的旋转方向相同(平行),而是是不是相反。大多数自旋三重态的超导体都被预测为“拓扑超导材料”,其具有非常实用的价值形式,并能在有外界干扰的状态下,保持材料下皮 的超导性。

Butch 表示:“哪些地方地方平行的自旋对并能帮助量子计算机保持功能,使其还能能 为什么会么会让量子涨落而自发地崩溃。”

偶然得到的发现成果

到目前为止,所有的量子计算机都都要四种 最好的办法 来纠正它们受到俯近环境影响而带来的误差。超导材料作为量子计算机元件的基础,长期以来老是被认为具有普遍优势,近年来关于量子计算机研发的几个商业进展都涉及由超导体制成的电路。而拓扑超导材料的价值形式(并能用在量子计算机上的),将具有不再都要量子误差矫正的额外优势。

“亲戚朋友刚刚四种 拓扑超导材料,意味着是它能给亲戚朋友提供那么错误的量子比特。并肩,它们的使用寿命为什么会么会让会很长。”Buthc 说,“拓扑超导材料是量子计算的替用路线,为什么会么会让它们将保护量子比特不受俯近环境影响。”

我我觉得,关于 UTe2 的新进展是在研究团队探索铀基磁铁时偶然发现的,许多磁铁的电子性并还能能根据都要,通过改变化学成分、压力或磁场来调整——当你刚刚定制材料时,这是一有有三个小很有用的价值形式。值得注意的是,我我觉得是铀基材料,但上述参数没一有有三个小多是基于放射性的。许多材料包暗含“贫化铀”,但并能了轻微的放射性,使用 UTe2 制造的量子比特元件会很小,很容易被计算机的许多偏离 所屏蔽。

图 | UTe2 的晶体价值形式及相关材料数据 (来源:The Materials Project)

研究人员在实验刚刚并那么预料到该化合物拥有亲戚朋友现在所发现的价值。Butch 说:“UTe2 最早再次出现于 20 世纪 70 年代,甚至连近期的相关研究文章也将其描述得平谈无奇。亲戚朋友在合成相关材料时碰巧制造了许多 UTe2,那么来越多 就顺手在低温下测试了它,看看是是不是哪些地方地方间题为什么会么会让被亲戚朋友忽略了。结果亲戚朋友加快下行速率 就意识到,亲戚朋友手上有非常有点儿的东西。”

为什么会么会让,NIST 的研究团队便开始英文英文使用中子研究中心和马里兰大学的专业设备来探索 UTe2。亲戚朋友发现其在低温条件下(低于 271.5℃ 或 1.6K)会变成超导体,为什么会么会让它的超导价值形式十分罕见,拥有超导性的并肩也具有铁磁性——就像低温永磁体一样。然而,奇怪的是,UTe2 四种 并是是不是铁磁性的。

“仅仅为什么会么会让许多意味着,就从根本上赋予了 UTe2 新的意义。”Butch 表示。

UTe2 对磁场是是不是很强的抵抗力。通常状态下,磁场会破坏材料的超导性。但取决于磁场作用的方向,UTe2 并能承受高达 35 特斯拉的磁场。这是一有有三个小典型冰箱磁铁下行下行速率 的 34000 倍,比大多数低温拓扑超导材料所能承受的下行下行速率 也要高许多倍。

我我觉得截至目前,研究团队还那么确切证明 UTe2 是四种 拓扑超导材料,但 Butch 认为许多对强磁场的特殊电阻性能意味着分析它一定是四种 拥有自旋三重态的超导材料。为什么会么会让,它也很为什么会么会让是四种 拓扑超导材料。许多电阻价值形式并能帮助科学家理解 UTe2 的本质,跟我说还能帮助理解超导性四种 。

“进一步的探索为什么会么会让会让亲戚朋友深入了解是哪些地方稳定了哪些地方地方平行的自旋超导电子,”Butch 说,“超导材料研究的一有有三个小主要目标为什么会么会让要更好地理解超导性四种 ,以便让科学家知道去哪里寻找尚未被发现的超导材料,而现在这是亲戚朋友还做并能了的。至于它们是必不可少的么?亲戚朋友希望许多材料并能别问亲戚朋友更多。”

铁基高温超导和拓扑物理是当前凝聚态物理的一有有三个小重要前沿研究领域。在过去长期的研究中,许多有有三个小领域每本人独立发展,互相之间很少有研究交集。最近几年,经那么来越多个研究组的并肩努力,结合理论和实验发现:许多铁基高温超导体并能是由内禀超导近邻效应产生的自赋性拓扑超导体(Connate Topological Superconductors)。许多发现不仅开启了铁基超导研究的新领域,也确立了铁基超导应用于未来拓扑量子计算的物理基础,使在相对高温下实现马约拉纳费米子成为为什么会么会让。

中国科学院物理研究所胡江平研究员与中国科学院强磁场科学中心郝宁研究员并肩撰写综述文章“Topological quantum states of matter in iron-based superconductors: From concepts to material realization”,系统回顾和总结了铁基超导体中居于的拓扑物理。

作者系统阐述了铁基超导中自赋性拓扑超导许多概念的物理内涵(如图所示):铁基超导的拓扑物理来自其费米面俯近多轨道价值形式,许多具有非平庸拓扑的能带在内禀超导近邻效应下成为拓扑超导。许多概念不同于过去构造超导和拓扑绝缘体异质节实现拓扑超导的传统框架,为实现拓扑超导物理提供了新方向。作者进一步提出了一系列的理论设计方案与材料候选建议,回顾和展望了几种具体铁基超导体系中关于自赋性拓扑超导态最新实验进展以及居于的间题,并肩讨论了铁基拓扑研究反过来对防止铁基超导四种 居于的重大悬而未决的基本间题为什么会么会让产生的新思路。

非常值得一提的是,许多研究方向全部由来自国内的中科院物理研究所,复旦大学,北京大学,中国科技大学和清华大学等研究组发起并推进探索,其研究成果为什么会么会让受到国际同行的深度评价和关注,目前来自国外同行的相关研究也已跟进中。

文章来源:科技日报