超薄设计器材料可释放难以捉摸的量子现象，对量子计算产生巨大影响

Majorana零能量模式位于2D拓扑超导体的边缘。

一个由理论和实验物理学家组成的团队设计了一种新的超薄材料，用于制造难以捉摸的量子态。这些量子态被称为一维Majorana零能量模式，可能对量子计算产生巨大影响。

量子计算机的核心是量子位，用于进行高速计算。例如，谷歌去年在其Sycamore处理器中推出的量子比特，以及其他正在使用的量子比特，对计算机周围的噪声和干扰非常敏感，这会在计算中引入误差。一种新型的量子比特，称为拓扑量子比特，可以解决此问题，而一维Majorana零能量模式可能是制造它们的关键。

“拓扑量子计算机基于拓扑量子位，应该比其他量子位容忍更多的噪声。但是，该实验室尚未产生拓扑量子位。”该项目的首席研究员Peter Liljeroth教授解释说。

什么是MZM？

MZM是一组以特定方式结合在一起的电子，因此它们的行为就像一个叫做Majorana Fermion的粒子，这是半神话粒子物理学家Ettore Majorana在1930年代首次提出的半神话粒子。如果Majorana的理论粒子可以结合在一起，它们将充当拓扑量子位。一招：无论是在实验室还是在天文学中，都没有发现它们存在的证据。研究人员没有试图制造出一个在宇宙中任何地方都从未见过的粒子，而是试图使规则的电子表现得像它们。

为了制造MZM，研究人员需要非常小的材料，阿尔托大学的Liljeroth教授的研究小组擅长于此。MZM的形成是通过给一组电子提供非常特定数量的能量，然后将它们捕获在一起以使它们无法逃逸。为了实现这一点，材料需要是二维的，并且在物理上尽可能地薄。要创建一维MZM，团队需要制造一种全新的2D材料：拓扑超导体。

拓扑超导性是在电绝缘体和超导体的边界处发生的特性。要创建一维MZM，Liljeroth教授的团队需要能够在拓扑超导体中将电子捕获在一起，但是，这并不像将磁体吸附到任何超导体上那样简单。

该研究的第一作者Shawulienu Kezilebieke博士解释说：“如果将大多数磁铁放在超导体上，就会阻止它成为超导体。”“材料之间的相互作用破坏了它们的性能，但是要制造MZM，您只需要使材料之间发生一点点相互作用即可。诀窍是使用2D材质：它们相互之间的交互作用足以使MZM成为您所需的属性，但又不会使它们相互破坏。

有问题的属性是自旋。在磁性材料中，自旋沿相同方向全部对齐，而在超导体中，自旋沿交替方向反对齐。将磁体和超导体放在一起通常会破坏自旋的对准和反对准。但是，在2D分层材料中，材料之间的相互作用足以“倾斜”原子的自旋，足以使它们产生制造MZM所需的特定自旋态，称为Rashba自旋轨道耦合。

查找MZM

本研究中的拓扑超导体是由一层溴化铬制成的，这种材料仅当一个原子厚时仍具有磁性。Liljeroth教授的团队在二硒化铌超导晶体上生长了一个原子厚的溴化铬岛，并使用扫描隧道显微镜对其电性能进行了测量。此时，他们求助于阿尔托大学的Adam Foster教授和坦佩雷大学的Teemu Ojanen教授的计算机建模专业知识，以了解他们的所作所为。

Foster教授说：“需要大量的仿真工作来证明我们所看到的信号是由MZM引起的，而不是其他影响。”“我们需要证明所有零件都装配在一起，以证明我们生产了MZM。”

现在，该团队确定他们可以用二维材料制作一维MZM，下一步将是尝试将它们制作成拓扑量子位。到目前为止，已经避开了已经制作了0维MZM的团队，而Aalto团队不愿意推测使用1维MZM的过程是否会更容易，但是他们对1D MZM的未来感到乐观。

Liljeroth教授说：“本文的很酷的部分是我们用2D材料制成了MZM，从原理上讲，它们更易于制造，更易于定制其性能，最终使其成为可用的设备。”

参考：Shawulienu Kezilebieke，Md Nurul Huda，ViliamVaňo，Markus Aapro，Somesh C. Ganguli，Orlando J. Silveira，SzczepanGłodzik，Adam S. Foster，Teemu Ojanen和Peter Liljeroth撰写的“范德华异质结构中的拓扑超导” 2020年，自然.DOI：
10.1038 / s41586-020-2989-y

这项研究合作包括来自芬兰坦佩雷大学和波兰M.Curie-Sklodowska大学的研究人员。

这项工作是使用OtaNano研究基础设施进行的。OtaNano为芬兰的纳米科学和技术以及量子技术研究提供最先进的工作环境和设备。OtaNano由阿尔托大学和VTT运营，在全球范围内可供学术和商业用户使用。