意外找到了能够实现量子计算的核心材料

一项新研究表明,二碲化铀(UTe2)可用于构建具有量子位的逻辑电路——量子位可以同时处于两种状态。

量子物理学家目前遇到的一个主要问题是保持量子比特运行的稳定性和可持续性,以完成实际的计算。这是一个棘手的问题,可归结到所谓的量子退相干过程。

超导体UTe2脱颖而出的原因在于其强大的抗磁性。

“它可能是量子信息时代的关键材料,”美国国家标准与技术研究院(NIST)的物理学家Nick Butch说,“我们可以用UTe2为能够实现高效计算的量子计算机构建量子位。”

第一作者 Sheng Ran 于 2008 年毕业于复旦大学,他和项目主管Butch在研究各种铀基磁体时偶然发现了UTe2的量子友好特性——在合成相关材料时,意外得到了UTe2,他们索性随手将其丢入测试仪器中。

从技术上讲,铀二碲化物具有自旋三重态,而不是像大多数超导体那样的自旋单态。这意味着它的Cooper对——在低温下结合在一起的电子——可以被分别定向。

这一特性意味着它的Cooper对可以平行排列,在面对外部干扰时保持其超导性(威胁到量子相干)。

“平行对可以帮助量子计算机维持正常功能,”Butch说,“不至于因量子涨落而自发崩溃。”

目前有好几种实现量子计算的方式,而科学家们还未能确定出最佳方案(或者根本就没有最佳方案)。

UTe2将被整合进拓扑量子计算机的构建中——比起其他方向,到目前为止对拓扑计算的探索还相对不足:本质上,它是在一种实际上或不存在的准粒子中编码量子位。

许多拓扑量子计算相关的思想仍然处于假说的状态,但它拥有巨大的优势——如果确实有效——就是它不需要相同水平的量子纠错就能保持连贯和稳定。

这可以为我们提供逻辑位的量子比特,而不需要大量其他量子比特来进行纠错。拓扑量子计算本身就是一项挑战,我们距离通用量子计算机还有很长的路要走,但它是朝着正确方向迈出的一步,就像我们所看到的许多其他令人兴奋的进步一样。

该团队认为铀二碲化物还有其它秘密可供挖掘,无论是在量子计算还是超导体方面。

“进一步的探索可能会让我们深入了解这些自旋三重态超导体的稳定性,”Butch说,“超导体方向的一个主要目标是能够很好地理解超导性,以便指示出尚未被发现的超导体材料……希望新材料能够告诉我们更多。”