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超越哥斯拉对金刚。这是你一直在等待的交叉事件——至少如果你是一个凝聚态物理学家的话。哈佛大学的研究人员已经证明了第一种既具有强相关性电子相互作用又具有拓扑特性的材料。

不知道那是什么意思?别担心,我们会告诉你的。但重要的是要知道,这一发现不仅为更稳定的量子计算铺平了道路,而且为探索奇异的物理世界创造了一个全新的平台。

这项研究发表在《自然物理》杂志上。

让我们从基础开始。拓扑绝缘体是一种可以在其表面或边缘导电,但不能在中间导电的材料。这些材料的奇怪之处在于,不管你怎么切割它们,表面总是导电的,中间总是绝缘的。这些材料为基础物理提供了一个平台,而且在特殊类型的电子和量子计算中也有许多应用前景。

自从拓扑绝缘体被发现以来,世界各地的研究人员一直致力于识别具有这些强大特性的材料。

该论文的第一作者、物理系研究生哈里斯·皮里(Harris Pirie)说:“最近凝聚态物质物理学的蓬勃发展源于发现了具有拓扑保护特性的材料。”

十多年来,六硼化钐一直是凝聚态物理学家激烈争论的焦点。争论的焦点是:它是否是拓扑绝缘体?

Pirie说:“在过去的10年里,有很多报纸说‘是’,也有很多说‘不’。”“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。”但六硼化钐却可以,这意味着材料内部的电子速度减慢到足以产生强烈的相互作用。在这一领域,该理论变得相当具有推测性,而具有强相互作用特性的材料是否可能也具有拓扑性质,目前尚不清楚。作为实验主义者,我们对这样的材料基本上是盲目操作的。”

为了解决这个争论,并最终弄清楚,是否有可能同时具有强相互作用和拓扑特性,研究人员首先需要找到一个有序的六硼化钐表面进行实验。

这不是一件容易的事,因为大部分材料的表面都是崎岖不平、杂乱无章的。研究人员利用小丑科学教授、论文资深作者珍妮·霍夫曼(Jenny Hoffman)实验室开发的超高精度测量工具,找到了一种适合的六硼化钐原子尺度的贴片。

接下来,研究小组开始确定这种材料是否具有拓扑绝缘性,方法是通过发射电子波穿过这种材料,并将它们从原子缺陷中散射出去——就像把一颗小石子扔进池塘一样。通过观察这些波,研究人员可以算出电子的动量与其能量之间的关系。

“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。”

由于它涉及到量子计算,强相互作用的拓扑材料可能能够保护量子位元不忘记它们的量子态,这个过程称为退相干。

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霍夫曼说:“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,”论文中的资深理论家、伊利诺伊大学芝加哥分校(University of Illinois, Chicago)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。”

本研究由Yu Liu, Anjan souarayanan, Chen Pengcheng, Yang He, M.M. Yee, p.m.m. Rosa, J.D. Thompson, Dae-Jeong Kim, Z. Fisk, Wang Xiangfeng, Johnpierre Paglione, M.H. Hamidian共同撰写。

哈佛大学的电子测量和加州大学欧文分校的六硼化钐晶体生长得到了美国国家科学基金会的支持。马里兰大学的晶体生长得到了戈登资助。贝蒂·摩尔基金会。洛斯阿拉莫斯国家实验室的磁性测量和伊利诺伊大学的理论工作得到了能源部的支持。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.harvard.edu/gazette/story/2019/12/researchers-find-a-platform-for-stable-quantum-computing/

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