中國科學家發現一維拓撲邊界態，有望叩開高能量子計算大門
中國科學家基于鐵基高溫超導材料研究發現的新型一維拓撲邊界態，有望為人類叩開高能量子計算機的大門。
近日，國際著名學術雜志《自然—材料》（Nature Materials）刊登了鐵基高溫超導材料研究領域的一項重要進展——新型一維拓撲邊界態的發現。拓撲超導體最激動人心的應用就是高能量子計算機，它能在計算中發現錯誤，一旦出錯就會在信息處理過程中產生抵抗。
上述研究成果由中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室的王征飛教授和美國猶他大學劉鋒教授、清華大學薛其坤院士及馬旭村研究員、中科院物理所周興江研究員合作獲得。
超導和拓撲是固體材料領域最有趣的兩個量子現象，二者糾纏形成的拓撲超導形態，在量子現象領域更是引人注目，因此，超導材料與拓撲材料也是近年來凝聚態物理研究的兩大熱點。
拓撲超導態是物質的一種新狀態，有別于傳統的超導體，拓撲超導材料兼具超導材料和拓撲材料的特性，內部是超導態，而表面或邊界則存在厚度約為 1 納米的受拓撲保護的無能隙金屬態。
如果把一個拓撲超導體一分為二，其新表面又會自然出現一層厚度約 1 納米的受拓撲保護的金屬態。
量子計算最理想的粒子——馬約拉納費米子
與普通計算機通過二進制方式處理數據不同，量子計算機是一種基于量子物理機理處理數據的計算機。它采用次原子粒子“量子”來存儲和處理信息。量子計算機的速度快到什么程度？
學界有比喻稱，如果現在的傳統二進制計算機的速度是自行車，量子計算機的速度就好比飛機。
為何時至今日，人類還未能造成一臺真正意義上的量子計算機？這是由于量子計算的粒子的“量子態”并不穩定，電磁干擾或物理干擾可以輕松打亂它們本應進行的計算。那么，就需要一種不受干擾的粒子。
最理想的粒子，是馬約拉納費米子。理論物理學家曾預言，拓撲超導材料在磁場下的渦旋中心會產生馬約拉納費米子。由于馬約拉納費米子的反粒子就是它本身，其狀態非常穩定，不易被傳統的電磁或物理干擾破壞，可以被用于定義量子計算中的量子比特。
量子比特的相干性是指電子向右自旋和正電子向左自旋的狀態相關聯，和傳統計算機不同，量子計算機的運算時間由于量子比特間的相干性的存在而有限制，經過一定的時間后，量子比特間一旦遇到外界實體的觀測，會失去相干性，量子相干性衰減即為“退相干”，如果退相干時間不夠長，就無法完成計算。
為了發揮量子計算的優勢，硬件上需要保證量子比特的相干性，拓撲超導材料有助于解決傳統量子比特的退相干問題，提高其存活時間，對于量子計算機領域的重要性不言而喻。
那么馬約拉納費米子跟拓撲邊界態以及超導材料又有什么關系呢？具備拓撲以及超導這雙重量子現象的新型超導材料，可以被認為是一種特殊的絕緣體，利用這一點，可以“哄騙”電子跑到這種材料的表面，將其轉變為馬拉約那費米子。
用物理學家L·安德魯·雷的話來說，具備這兩種特性的“超導體是產生和控制馬拉約那費米子的理想育兒所”。
中國在高溫超導領域是世界領跑者
如何設計尋找拓撲超導材料，一直是研究人員關注的焦點。自然界中很多材料都只是單一的超導或者拓撲絕緣體，超導和拓撲兩種狀態很難在同一種物質中共存。
以往的研究思路是借助外延生長將拓撲材料放置在超導材料上或將超導材料放置在拓撲材料上，通過鄰近效應實現拓撲超導體。但這種復合材料對于生長工藝的要求十分苛刻，阻礙了拓撲超導材料研究的發展。
在前述研究中，中國科學家以新型高溫超導材料FeSe/SrTiO3為研究對象，結合理論計算、掃描隧道顯微鏡和角分辨光電子能譜，系統地研究了其反鐵磁電子構型，在實空間觀測到自旋—軌道耦合所打開的拓撲能隙中一種新型一維拓撲邊界態的存在。
該工作有助于進一步理解 FeSe/SrTiO3 的高溫超導機制，為探索單一材料高溫拓撲超導體和馬約拉納費米子開辟了新途徑。
中國在高溫超導領域是世界領跑者。2013 年，中科院物理研究所確定了鐵基為新一類高溫超導體，首次發現常壓下臨界溫度高于 40K（約零下 233 攝氏度）的超導電性，突破了麥克米蘭極限溫度。
2015 年 8 月，中科院強磁場中心曾研發出一種新型高質量單晶體，采用高溫熔融法把堿土金屬元素鍶插入到典型的拓撲絕緣體材料硒化鉍中，獲得了高質量的拓撲超導單晶體。這種材料的超導性能高達 91.5％，且在空氣中十分穩定，在 10 特斯拉到 35 特斯拉磁場區間出現了周期性的量子振蕩信號，證明其存在拓撲保護表面態。
由于其磁性因素，鐵基化合物曾一度幾乎被無數國際頂尖物理學家斷言為探索高溫超導體的禁區。
2014 年 1 月，以趙忠賢、陳仙輝、王楠林、聞海虎、方忠為代表的中國科學院物理研究所/北京凝聚態國家實驗室和中國科學技術大學研究團隊因為在“40K 以上鐵基高溫超導體的發現及若干基本物理性質研究”方面的突出貢獻獲得了國家自然科學一等獎。在此之前，這一獎項已經連續 3 年空缺。
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