量子運算舉聖杯拓樸材料塗層誘出量子位元

科隆大學的一組物理學家，利用具有量子反常霍爾效應的拓樸材料塗層，結合鈮超導電極，成功誘導出具有拓樸保護的量子位元，象徵著科學家又朝著穩定的量子電腦邁出了重要一步。

編譯／高晟鈞

物理學家利用具有量子反常霍爾效應的拓樸材料塗層，結合鈮超導電極，成功誘導出具有拓樸保護的量子位元。（圖／123RF）

量子霍爾效應vs.量子反常霍爾效應

近十年來，凝聚態物理領域最引人注目了兩大聖杯便是：拓樸材料和超導體，並衍伸至奈米光子學、電路學、超穎材料學等諸多領域。

而量子霍爾效應可謂是整個凝聚態物理中最重要、最基本的量子效應之一，是微觀電子世界的量子行為，在宏觀尺度的一個完美體現。當電力流入材料中，電子傾向於遠離原子核，導致電子「過度碰撞」，進而造成熱量和振動，使得能量損失。

而在特定磁場作用下，電子能夠以有序的排列運行，就像高速公路上的汽車行駛在不同車道一樣，互不干擾。

量子反常霍爾效應，指得便是在不施加外部磁場的情況下，利用特殊的材料塗層發出共振頻率，使得電子在共振頻率下，以較為規律的方式運行，形成有效電流，減少傳遞過程的電力損耗。

拓樸物理主要奠基於「體－邊界對應」（Bulkedge correspondence）的原理，指得是當拓樸材料與其他材料接觸時，兩材料的邊界處會產生具有「拓樸保護的邊緣態」（Topologically protected edge gates）。

研究團隊便是利用以上的特性，將鈮超導電極與具有量子反常霍爾效應的拓樸材料塗層結合，在邊緣處誘導了一種準粒子－－馬約拉納費米子。由此種方法所誘導的手性馬約拉納邊緣態是一種特殊類型的馬約拉納費米子，是實現受拓撲保護的「飛行量子位元」（Flying qubits）（或量子位元）的關鍵。

論文的共同第一作者Gertjan Lippertz將他們的成功，歸功於從量子反常霍爾絕緣體薄膜的沉積、裝置製造、超低溫測量的每一步都在實驗室中完成，最大程度減少了實驗誤差。

現在，實驗團隊與多所大學和研究中心合作，積極將這些實驗結果進一步轉化為可靠且強大的量子電腦。

資料來源:ScitechDaily

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