超薄设计材料解锁难以捉摸的量子现象,对量子计算产生巨大影响

Majorana零能量模式

在二维拓扑超导体的边缘发现了马约拉纳零能量模。资料来源:阿尔托大学Ella Maru工作室的Alex Tokarev

新研究发表于自然他测量了广受欢迎的马约拉纳量子态。

一组理论和实验物理学家设计了一种新的超薄材料,他们用这种材料来创造难以捉摸的量子态。被称为一维马约拉纳零能量模式,这些量子态可能会产生巨大的影响量子计算

在量子计算机的核心,是一个QUBit,用于进行高速计算。例如,谷歌在去年推出的Sycamore Processor中的Qubits以及其他目前正在使用计算机周围环境的噪声和干扰非常敏感,这会引入计算中的错误。一种新型的qubit,称为拓扑qubit,可以解决这个问题,1d Majorana零能量模式可能是制造它们的关键。

“拓扑量子计算机基于拓扑Qubits,这应该比其他Qubits更多的噪声耐受性。然而,该项目的领导研究员Peter Liljeroth教授解释说,拓扑额度尚未在实验室中生产。

什么是mzms?

MZMS是以特定方式绑定在一起的电子组,因此它们的表现得像一个称为Majorana Fermion的粒子,是20世纪30年代半神话物理学家Ettore Majorana首先提出的半神话颗粒。如果Majorana的理论粒子可以绑定在一起,他们将作为拓扑Qubit工作。一个抓住:在实验室或天文学中没有看到他们存在的证据。研究人员反而尝试使常规电子表现出来,而不是试图制作任何人没有人见过任何人。

为了使MZMS制作,研究人员需要令人难以置信的小物资,这是吕杰拉斯教授Aalto University的专门教授的区域。通过给予一组电子是一种非常特殊的能量来形成MZM,然后将它们捕获在一起,因此它们无法逃逸。为实现这一点,材料需要是二维的,并且像物理上一样薄。要创建1D MZMS,该团队需要制作完全新型的2D材料:拓扑超导体。

拓扑超导是在磁绝缘体和超导体的边界处发生的性质。为了创建1D MZMS,Liljeroth教授所需的团队需要能够在拓扑超导体中捕获电子,但是它不如将任何磁铁粘在任何超导体那样简单。

“如果将大多数磁铁放在超导体的顶部,则停止其作为超导体,”研究第一个作者Shawulienu Kezilebieke博士解释说。“材料之间的相互作用扰乱了它们的性质,但制作了MZMS,您需要材料才能互动。诀窍是使用2D材料:它们彼此交互足以使您需要的属性进行MZMS,但不是那么多,它们互相扰乱。“

我们讨论的性质是自旋。在磁性材料中,自旋方向是一致的,而在超导体中,自旋方向是反的,方向是交替的。把磁铁和超导体放在一起通常会破坏自旋的排列和反排列。然而,在二维层状材料中,材料之间的相互作用足以“倾斜”原子的自旋,从而产生特定的自旋状态,称为Rashba自旋轨道耦合,这是制造MZMs所需的。

找到mzm

该研究中的拓扑超导体由一层铬溴,当仅磁时仍然磁的材料制成原子厚。利杰罗斯教授的团队在二硒化铌的超导晶体上种植了单原子厚的溴化铬岛,并使用扫描隧道显微镜测量了它们的电学性质。在这一点上,他们求助于阿尔托大学的亚当·福斯特教授和坦佩雷大学的提姆·奥贾宁教授的计算机建模专家,以了解他们所做的。

“有很多模拟作品需要证明我们看到的信号是由MZMS引起的,而不是其他效果,”培育教授说。“我们需要展示所有缝合在一起,以证明我们已经产生了MZMS。”

现在该团队确信他们可以用二维材料制造一维mzm,下一步将是尝试将它们制成拓扑量子位元。到目前为止,已经制作了零维mzm的团队还没有完成这一步,而阿尔托团队也不愿意去推测一维mzm的过程是否会更容易,但是他们对一维mzm的未来很乐观。

“本文的很酷的一部分是我们在2D材料中制作了MZMS,”Liljeroth教授“原则上这些是更容易制作,更容易定制的属性,最终将成为一个可用的设备。”

参考文献:“van der Waals异质结构中的拓扑超导性”,作者:Shawulienu Kezilebieke, Md Nurul Huda, Viliam Vaňo, Markus Aapro, Somesh C. Ganguli, Orlando J. Silveira, Szczepan Głodzik, Adam S. Foster, Teemu Ojanen和Peter Liljeroth, 2020年12月16日,自然
DOI:10.1038 / s41586-020-2989-y

该研究合作包括来自芬兰的坦佩雷大学的研究人员,波兰的M.Curie-Sklodowska大学。

这项工作是利用大野大学的研究基础设施进行的。OtaNano为芬兰的纳米科学和量子技术研究提供了最先进的工作环境和设备。OtaNano由阿尔托大学(Aalto University)和VTT联合运营,面向国际学术和商业用户。

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