外来量子粒子的成像作为量子计算的构建块

伊利诺伊大学芝加哥分校的研究人员与他们在德国汉堡大学的同事们合作，研究了一种奇异的量子粒子 - 一种称为Majorana费米子 - 可用作未来量子位的构建块，最终用于量子计算机的实现。他们的研究结果发表在Science Advances杂志上。

50多年前，英特尔首席执行官戈登•摩尔(Gordon Moore)观察到计算机芯片上的晶体管数量每18到24个月增加一倍。这种趋势，现在称为摩尔定律，一直延续至今，导致晶体管的尺寸仅为几纳米 - 十亿分之一米。在这个尺度上，构成我们现有计算机工作基础的经典物理定律停止运作，它们被量子力学定律所取代。因此，使晶体管更小(过去用于提高计算速度和数据存储)已不再可能。

除非研究人员能够弄清楚如何使用量子力学作为下一代计算机的新基础。

这是理查德·费曼(Richard Feynman)于1982年提出的基本思想，理查德·费曼是20世纪最具影响力的理论物理学家之一。不是使用存储以零和1编码的信息的经典计算机位，而是设计“量子位” - 或简称为量子位 - 利用量子力学定律来存储0到1之间的任何数，从而指数增加计算速度和导致量子计算机的诞生。

“通常，当你丢弃手机时，它不会删除你手机上的信息，”UIC物理学教授Dirk Morr和该论文的相应作者说。“这是因为信息以1和0的比特存储的芯片相当稳定。将一个变成零，反之亦然需要很多麻烦。但是，在量子计算机中，因为存在无限数量对于量子比特的可能状态，信息可能更容易丢失。“

为了形成更强大和可靠的量子比特，研究人员已经转向Majorana费米子 - 量子粒子只能成对出现。

“我们每个量子位只需要一个Majorana费米子，因此我们必须将它们彼此分开，”莫尔说。

通过从一对Majorana费米子构建量子比特，只要Majoranas保持足够远的距离，就可以可靠地编码信息。

为了实现这种分离，并对单个Majorana费米子进行“成像”，有必要创建一种“拓扑超导体” - 一种能够在没有任何能量损失的情况下传导电流的系统，同时又与“拓扑结构”相关联结“。

“这个拓扑结类似于甜甜圈中的洞：你可以将甜甜圈变形成咖啡杯而不会丢失洞，但是如果你想破坏这个洞，你必须做一些非常戏剧性的事情，比如吃甜甜圈， “莫尔说。

为了建立拓扑超导体，Morr在汉堡大学的同事在铼(一种超导体)的表面上放置了一个磁铁原子岛，直径只有几十纳米。Morr的小组预测，通过使用扫描隧道显微镜，人们应该能够将Majorana费米子成像为沿着铁原子岛边缘的亮线。这正是实验组观察到的。

“能够实际可视化这些奇异的量子粒子使我们更接近于构建稳健的量子比特，最终是量子计算机，”莫尔说。“下一步将是弄清楚我们如何在量子芯片上量化这些Majorana量子比特并操纵它们以获得指数级的计算能力。这将使我们能够解决我们今天面临的许多问题，从抗击全球变暖和通过无人驾驶汽车预测地震，减轻交通拥堵，建立更可靠的能源网格。“