物理学家向拓扑量子计算迈进了一步

科隆大学领导的实验物理学家团队证明，在以独特的边缘电特性而闻名的特殊材料中创造超导效应是可能的。这一发现为探索高级量子态提供了一种新方法，这对于开发稳定高效的量子计算机至关重要。

他们的研究成果题为“量子异常霍尔绝缘体中的诱导超导关联”，已发表在《自然物理学》杂志上。

超导性是指电流在某些材料中无阻力流动的现象。量子异常霍尔效应是另一种导致零阻力的现象，但有一点不同：它被限制在边缘而不是遍布整个区域。

理论预测，超导性和量子异常霍尔效应的结合将产生拓扑保护粒子，称为马约拉纳费米子，这将有可能彻底改变量子计算机等未来技术。

这种组合可以通过在本来就无电阻的量子异常霍尔绝缘体的边缘引入超导性来实现。由此产生的手性马约拉纳边缘态是马约拉纳费米子的一种特殊类型，是实现拓扑保护的“飞行量子比特”(或量子位)的关键。

安贾娜·乌代 (Anjana Uday) 是安藤洋一 (Yoichi Ando) 教授课题组的最后一年博士研究员，也是该论文的第一作者，她解释说：“在这项研究中，我们使用了量子反常霍尔绝缘体薄膜，并与超导铌电极接触，并尝试在其边缘诱导手性马约拉纳态。

“经过五年的努力，我们终于实现了这个目标：当我们将电子注入绝缘体材料的一端时，它会在另一端反射，不是电子而是空穴，本质上是带相反电荷的电子的幻影。

“我们将这种现象称为交叉安德烈夫反射，它使我们能够检测到拓扑边缘态中诱导的超导性。”

安藤课题组博士后研究员、论文共同第一作者 Gertjan Lippertz 补充道：“自发现量子反常霍尔效应以来，10 年来许多研究小组都尝试过这项实验，但之前没有人成功过。

“我们成功的关键在于量子异常霍尔绝缘体的薄膜沉积、器件制造的每一步以及超低温测量都是在同一个实验室里完成的。这在其他地方是不可能的。”

为了实现这些成果，科隆研究小组与鲁汶天主教大学、巴塞尔大学以及于利希研究中心的同事进行了合作。后者为量子计算物质与光联合卓越集群 (ML4Q) 提供了理论支持。

科隆大学实验物理学教授、ML4Q 发言人 Yoichi Ando 详细阐述道：“该集群在提供这一突破所需的协作框架和资源方面发挥了重要作用。”

这项发现为未来的研究开辟了众多途径。下一步包括进行实验直接确认手性马约拉纳费米子的出现并阐明其奇异性质。

理解和利用拓扑超导性和手性马约拉纳边缘态可以提供不易受退相干和信息丢失影响的稳定量子位，从而彻底改变量子计算。

本研究展示的平台为实现这些目标提供了一条有希望的道路，有可能带来更为强大和可扩展的量子计算机。