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为量子计算铺平道路!拓扑绝缘体材料突破登上《自然》

正在阅读: 首页 » 经验之谈 » 电脑经验 » 正文 发布日期:12-06

原标题:为量子计算铺平道路!拓扑绝缘体材料突破登上《自然》

近日,哈佛大学研究人员在材料学方面取得重大突破。他们发明了一种全新材料,既具有强相关性电子相互作用,同时还具有拓扑特性的材料。这意味着,科学家们探索物理世界有了新平台,更重要的是,他们为更稳定的量子计算铺平了道路。

这项研究和拓扑绝缘体有关,发表在了《自然》的子刊《自然-物理学》上。

简单科普一下拓扑绝缘体的概念。首先,拓扑本身是个数学概念,它研究的是“不连续”的特征。华裔物理学家张首晟在研究这些具备“不连续”特征物质的时候,成功创造出了 “拓扑绝缘体”。

给一块有很多电子的大块低温薄膜加上强磁场,它就会表现出一个奇妙的特点:只在薄膜的边缘导电,但薄膜的中央不会导电。无论你怎么切割这块薄膜,产生的新边缘也会导电,中央依然绝缘;就算你往边缘里添加了本来足以阻断电流的杂质,结果依然是边缘继续导电。

对于这个现象,科学家称其边缘是被“拓扑保护”起来了,无论怎么变化,薄膜边缘的电学特征也不会随便改变。

张首晟预言,用电子自己的自旋轨道耦合效应,无需对材料施加大磁场,即可制造出拓扑绝缘体材料。随后,他果真制作出了需外界作用自己就可实现拓扑保护效果的材料。这一成果被《科学》杂志评为2007年的“全球十大重要科学突破”之一,张首晟也凭这一成果,拿下物理学界几乎所有顶尖奖项。

随后,他又因为发现“天使粒子”,被杨振宁称作“获得诺贝尔奖只是时间问题”。

遗憾的是,2018年12月1日,张首晟意外离世,其家人称是抑郁症所致。

自从拓扑绝缘体被提出以及发现以来,凝聚态物理学界的一大热点就是寻找具有这种特性的新材料,六硼化钐(samarium hexaboride)是其中的焦点。核心问题是:它到底是不是是拓扑绝缘体?。

本论文第一作者、哈佛大学物理系研究生哈里斯?皮里(Harris Pirie)表示,问题的关键在于,大多数拓扑材料没有强相互作用的电子,这意味着电子移动得太快,无法相互感应,但六硼化钐内部的电子速度却慢到足以产生强烈的相互作用。那么,是否有材料可以在具有强相互作用特性的同时,也具有拓扑性质呢?

为了搞清楚这一问题,研究人员找到了一个有序的六硼化钐表面来进行实验。由于大部分材料的表面崎岖不平、杂乱无章,他们专门动用了论文高级作者珍妮·霍夫曼(Jenny Hoffman)实验室开发的超高精度测量工具,找到了一个合适的六硼化钐原子尺度的贴片。

研究小组发射电子波穿过材料,通过反馈回来的数据,研究人员得出结论,电子的动量与它们的能量成正比。皮里表示:“这是拓扑绝缘体的确凿证据。”

“我们发现电子的动量与它们的能量成正比,这是拓扑绝缘体的确凿证据,”Pirie说。“能够最终进入交互物理和拓扑物理的交叉领域,真的很令人兴奋。我们不知道会在这里找到什么。”他还表示,这一研究使他们进入了“交互物理和拓扑物理的交叉领域”。

这一研究成果的最大现实意义和量子计算有关,具备强相互作用特性的拓扑材料,可能可以帮助量子位元记住它们的量子态。

霍夫曼表示:“如果我们能把量子信息编码成一种拓扑保护状态,就不太容易受到外部噪声的影响,因为外部噪声会意外地改变量子比特。微软已经有一个大型团队致力于复合材料和纳米结构的拓扑量子计算。我们的工作首次证明了利用强电子相互作用的单拓扑材料最终可能用于拓扑量子计算。”

“下一步将是利用受拓扑保护的量子态和强相互作用的组合来设计物质的新量子态,比如拓扑超导体,”论文的资深理论家、伊利诺伊大学芝加哥分校物理学教授德克·莫尔(Dirk Morr)说,“它们非凡的特性为拓扑量子比特的实现提供了前所未有的可能性。”

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