我国科学家在铁基超导领域取得重大进展 助力量子计算技术进一步发展(科技自立自强)

 2022-06-11 03:20:09    13  

来源:人民日报

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中国科学院物理研究所高鸿钧研究员带领的联合团队在铁基超导材料锂铁砷中首次实现了大面积、高度有序和可调控的马约拉纳零能模格点阵列,这一发现向着实现拓扑量子计算迈进了一步。该成果于6月8日在《自然》上刊发。

宇宙中存在一种神奇的基本粒子,它的反粒子是它自身,这种粒子被称为马约拉纳费米子。在固体材料中可能出现的与其类似的粒子,被称为马约拉纳零能模,其编织操作可用于拓扑量子计算。

中国科学院物理研究所高鸿钧研究员带领的联合团队,在铁基超导材料锂铁砷中首次实现了大面积、高度有序和可调控的马约拉纳零能模格点阵列,并观测到了调控引起的马约拉纳零能模相互作用,向拓扑量子计算的实现迈出了重要一步。该成果于北京时间6月8日在国际学术期刊《自然》上刊发。

探 索

实现容错拓扑量子计算的重要途径

“道生一,一生二,二生三,三生万物”,这是古人对世界的认知和理解,表达了万物由简而繁的构造过程。对物理学家而言,万物都是可以拆分的:一杯水,可以拆分为很多水滴;一个水滴,可以拆分为很多水分子;一个水分子,可以拆分为两个氢原子和一个氧原子;一个原子,可以进一步拆分为电子、夸克等微观粒子。拆分到最后,物理学家们发现所谓的“万物”,其实都是由60多种基本粒子构成的。对这60多种基本粒子及其性质的探索发现,是粒子物理学家的研究目标。

这些基本粒子按照统计规律的不同可以划分为玻色子和费米子两大类,例如人们所熟知的光子属于玻色子,电子属于费米子。对于费米子而言,大多数费米子的反粒子与它本身不同,例如电子的反粒子是正电子,带有一个单位的正电荷。这类费米子被称为“狄拉克费米子”,以物理学家保罗·狄拉克命名。

宇宙中还有另一种神奇的基本粒子,它的反粒子是它本身。这种基本粒子叫做“马约拉纳费米子”,是由物理学家埃托雷·马约拉纳在1937年理论预言的。然而在其预言后的80多年时间里,粒子物理学家们始终未能在广袤宇宙中找到该粒子存在的确切证据。

在物理学的另一大分支——凝聚态物理领域,理论学家预言,在固体材料中可能会出现与马约拉纳费米子类似的粒子,这种粒子被称为马约拉纳准粒子,或是马约拉纳零能模。

中科院物理所副研究员李更说:“马约拉纳零能模的统计规律既不像玻色子,也不像费米子,而是表现为一种独特的非阿贝尔统计规律。这种准粒子的编织操作被认为是实现容错拓扑量子计算的重要途径。”

发 现

在铁基超导体上观测到了马约拉纳零能模

量子计算机遵循量子力学规律,因其处理复杂问题时相比传统计算机有着巨大的优越性而被公众所熟知。目前,世界上许多国家的政府和科技巨头企业均投入了巨大精力发展量子计算。量子计算的主要挑战在于量子态很容易受环境的干扰,产生退相干现象,使得计算过程中会不断地产生错误,影响计算结果的准确性。而由马约拉纳零能模组成的非局域拓扑量子比特,可以从原理上解决量子退相干问题,引起了研究人员的广泛关注。

在早期观测马约拉纳准粒子载体材料中,比较有代表性的材料体系包括常规超导体近邻下的半导体纳米线、常规超导体表面的磁性原子链,以及超导体—拓扑绝缘体界面等。这些材料往往存在制备困难、对极低温的要求较苛刻等问题。

2018年,高鸿钧研究团队与丁洪研究团队合作,利用其自主设计组装的国际顶尖水平的极低温强磁场扫描隧道显微镜/谱联合系统,精确测量了铁基超导体铁碲硒单晶样品的超导涡旋,首次在铁基超导体中观测到马约拉纳零能模。

高鸿钧说:“与之前的材料体系相比,铁基超导体具有材料简单和观测温度高等优势,并且可以观测到纯净的马约拉纳零能模。”

随后几年里,研究团队对铁基超导体中的马约拉纳零能模做了一系列进一步研究,澄清了马约拉纳零能模的拓扑本质;观测到了马约拉纳零能模的近量子化电导平台特征,给出了铁基超导体中存在马约拉纳零能模的关键性实验证据;在铁磷基超导体上观测到了马约拉纳零能模,极大地扩展了马约拉纳零能模载体平台。

然而,这些铁基超导材料体系还是存在着材料组分不均一、磁通涡旋阵列无序且不可控以及马约拉纳零能模占比低等问题,阻碍了其进一步的研究和应用。如何突破当前研究瓶颈,获得大面积、高度有序且可调控的马约拉纳零能模阵列,向拓扑量子计算更进一步,是当前铁基超导马约拉纳领域亟待解决的问题之一。

意 义

为实现马约拉纳零能模的编织以及拓扑量子计算奠定了坚实基础

此次高鸿钧研究团队对铁基超导体锂铁砷进行了细致而深入的研究。利用多年积累的强大的扫描隧道显微镜研究平台和丰富的研究经验,团队在实验中发现,应力可以诱导出大面积、高度有序和可调控的马约拉纳零能模阵列。

高鸿钧说:“我们这项研究重要意义在于首次实现了大面积、高度有序和可调控的马约拉纳零能模阵列,并观测到了调控引起的马约拉纳零能模相互作用,为下一步实现马约拉纳零能模的编织以及拓扑量子计算奠定了坚实的基础。”

谈及下一步的研究计划,高鸿钧表示,希望能进一步实现马约拉纳零能模的编织,“如果能实现的话,这应该是一个世界级的突破。但即使编织实现,离真正实现拓扑量子计算机还有很远的路要走。”

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