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科学家首次在超导块体质料中发明马约拉纳任意子 对将来量子计较机成长意义重大

2019-01-07

  由中国科学院物理研究所高鸿钧、丁洪率领的连系研究团队首次超导块体质料中调查到了马约拉纳零能模,即马约拉纳任意子。该马约拉纳零能模纯净度高,能在相对更高的温度下实现,且质料体系简朴,对研究和构建高度不变、高容错的量子计较机具有极其重要意义。这项研究成就于北京时间17日由国际顶级学术期刊《科学》在线颁发。

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  图为铁基超导质料磁通漩涡中发明的马约拉纳任意子。中国科学院物理研究所供图。

  量子计较机相较于传统计较机具有更快的运行速度与更大的计较劲,但其成长受到一个重要因素的制约。“传统的量子比特容易受到外界情况滋扰而产生‘退相干’(量子状态间丧失彼此过问干与性质),copper powder,导致计较失败。而基于马约拉纳任意子的拓扑量子计较机,对付情况的这种局部扰动有很强的抗滋扰本领,自身带有高容错的秉性。”中国科院学物理研究所研究员丁洪表明,马约拉纳任意子可以用来结构拓扑量子比特,应用于自容错的量子计较机。

  宇宙中的物质都是由叫“费米子”的根基粒子构成,每一个粒子都有反粒子。1937年意大利理论物理学家预言,宇宙中存在自旋为1/2的中性费米子,其反粒子是它自己,人们把这种神奇的粒子称为马约拉纳费米子。作为理论假想粒子,马约拉纳费米子今朝还未在真实宇宙中发明。连年来的理论研究表白,在凝结态物质中大概存在遵守马约拉纳性质(满意马约拉纳费米子举动方程)的准粒子,Titanium carbide powder,这些准粒子可看作宇宙中真实粒子在固体中的影子。当马约拉纳费米子以准粒子的形式呈此刻固体质料的外貌时,就酿成了切合非阿贝尔统计的马约拉纳任意子。

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图为研究团队合影。中国科学院物理研究所供图。

  人们一直实验在凝结态物质中发明马约拉纳费米子,这是国际科技界剧烈竞争的计谋制高点之一。科学家将超导质料等固体质料和拓扑质料团结,在必然的温度、磁场条件下,发明白这种马约拉纳准粒子,即被称为“固体宇宙”中的马约拉纳费米子。好比,2012年荷兰代尔夫特理工大学的Kouwenhoven研究组、2015年上海交通大学贾金锋研究组等,宣称找到了马约拉纳准粒子存在于“固体宇宙”的证据。

  “这些马约拉纳准粒子存在的体系都需要结构异质布局,至少需要团结两种固体质料,工艺巨大,且需要极低温条件。固然能看到马约拉纳准粒子,但这种情况不足清晰。”丁洪说,他们操作极低温-强磁场-扫描探针显微系统,首次在超导块体这一单一、清洁的固体质料里发明白马约拉纳任意子,并且身分纯度很高,可以看得更清晰,还能在相对更高的温度下实现,Titanium Boride powder,不容易受到其他平庸的准粒子的滋扰。

  该研究被认为是世界上第一个证明单一超导块体中存在马约拉纳任意子/费米子的证据。其成就具有高纯度、高温度且布局简朴等特性,更容易实现对马约拉纳任意子的编织哄骗,对研究和构建不变的、高容错、可拓展的将来量子计较机具有极其重要意义。同时,这也预示着在其它的多能带高温超导体里也大概存在马约拉纳任意子,Tantalum Silicide powder,为马约拉纳物理的研究开发新的偏向。