量子计算的突破-首次在黄金上看到神秘的马约阿娜·费米昂

时间:2020-04-18 17:49 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

量子计算的突破-首次在黄金上看到神秘的马约阿娜·费米昂

Physicists’这一发现可能为量子计算带来一个新的健壮的量子位。

麻省理工学院和其他地方的物理学家已经观察到马约阿纳费米子存在的证据。理论上被认为是自身反粒子的粒子;一种普通金属的表面:金。这是第一次在一个可以扩大规模的平台上看到马约阿纳费米昂。研究结果发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of The National Academy of Sciences)杂志上,这是将这些粒子分离为稳定的、不会出错的量子位元用于量子计算的重要一步。

在粒子物理学中,费米子是一类基本粒子,包括电子、质子、中子和夸克,所有这些都构成了物质的基本单元。在很大程度上,这些粒子被认为是狄拉克费米子,以英国物理学家保罗·狄拉克的名字命名,他首先预言所有的费米子基本粒子在宇宙的某个地方都应该有一个类似的粒子,以反粒子的形式存在;本质上,是一个带相反电荷的同卵双胞胎。

1937年,意大利理论物理学家埃托雷·马略亚纳(Ettore Majorana)扩展了迪拉克的理论,他预测,在费米子中,应该存在一些与它们的反粒子难以区分的粒子,这些粒子后来被命名为马略亚纳·费米子。神秘的是,这位物理学家在做出这一预测仅仅一年之后,就在一艘驶离意大利海岸的渡轮上失踪了。从那时起,科学家们就一直在寻找这个神秘的大颗粒。有人提出,但没有被证明,中微子可能是一个马约拉纳粒子。另一方面,理论学家预测,在特殊条件下,马约阿纳费米子也可能存在于固体中。

现在,麻省理工学院领导的研究小组已经在他们设计和制造的材料系统中观察到了马约阿纳费米子存在的证据。该材料系统由生长在超导材料钒上的金纳米线组成,上面点缀着小的铁磁岛;硫化铕。当研究人员扫描这些岛屿附近的表面时,他们看到了黄金表层接近零能量的信号峰值,根据理论,这些信号应该只由成对的马略阿纳费米昂产生。

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下一步将是把这些物体变成量子位元,这将是迈向实用量子计算的巨大进步。合著者帕特里克·李补充道,他是麻省理工学院威廉和艾玛·罗杰斯物理学教授。

李和Moodera&rsquo的合作者包括前麻省理工学院博士后和第一作者Sujit吗哪(目前教师在新德里的印度理工学院),前麻省理工学院博士后彭魏加州大学河滨分校以及生产谢和锦段法律的香港科技大学。

高的风险

如果可以利用它们,马约阿纳费米子将是量子计算机的理想量子位,或单个计算单元。这个想法是,一个量子位元是由成对的马略阿纳费米子组合而成,每对马略阿纳费米子与它的搭档分开。如果噪声误差影响到一对中的一个,另一个应该不受影响,从而保持量子位元的完整性,使它能够正确地进行计算。

科学家们一直在半导体中寻找马约阿纳费米子,这种材料用于传统的基于晶体管的计算。在他们的实验中,研究人员把半导体和超导体结合起来。电子无阻力通过的材料。这种结合赋予了传统半导体超导性,物理学家们认为,这种超导性可以诱导半导体中的粒子分裂,形成费米子对。

在一些物质平台上,人们相信他们已经看到了马约拉纳粒子。李说。证据越来越有力,但仍未百分之百证实。

更重要的是,年代,是从汤姆斯设置到目前为止难以扩大生产所需的数千或数百万量子位实用量子计算机,因为他们需要非常精确的晶体增长的半导体材料和非常具有挑战性的将这些转化为高质量的超导体。

大约十年前,李和他的研究生安德鲁·波特(Andrew Potter)有了一个想法:或许物理学家可以在金属中观察到马约阿纳费米子,这种材料在接近超导体时很容易变成超导。科学家们通常将包括黄金在内的金属制成超导体。李的想法是看看金的表面状态是否稳定。它的最顶层是原子层。可以被做成超导的。如果能做到这一点,那么黄金就可以作为一个干净、原子精确的系统,研究人员可以在其中观察马约阿纳费米子。

基于moodera之前关于铁磁绝缘体的研究,Lee提出,如果将其置于金超导表面状态,那么研究人员将有很好的机会清楚地看到马约阿纳费米子的特征。

当我们第一次提出这个想法时,我没能说服很多实验人员去尝试,因为当时的技术是令人生畏的。李说,他最终与moodera的实验小组合作,从邓普顿基金会获得了实现该设计的关键资金。贾格德斯和彭真的不得不重新发明轮子。进入这个领域是非常有勇气的,因为这确实是一个高风险,但我们认为是一个高回报的事情。

“;发现Majorana”

在过去的几年里,研究人员对gold&rsquo的表面状态进行了表征,并证明它可以作为观察马约阿纳费米子的一个平台,在那之后,研究小组开始制造李多年前设想的装置。

他们首先培育了一层超导钒,在其上覆盖了大约4纳米厚的金层纳米线。他们测试了金的最顶层的导电性,发现它在接近钒的地方确实具有超导性。然后,他们把金纳米线铺在岛上。硫化铕是一种铁磁材料,能够提供产生马约阿纳费米子所需的内部磁场。

然后,研究小组施加一个微小的电压,并使用扫描隧道显微镜,这是一种特殊的技术,使研究人员能够扫描黄金表面每个岛屿周围的能谱。

穆德拉和他的同事们随后寻找了一种非常特殊的能量信号,这种信号只有马约阿纳费米子才能产生,如果它们存在的话。在任何超导材料中,电子以一定的能量范围通过。然而,这里有一片沙漠,或者说有能源缺口。应该没有电子的地方。如果在这个间隙中有一个尖峰,那很可能是马约阿纳费米昂的特征。

通过他们的数据,研究人员观察到在沿着磁场方向的几个岛屿的两端的能量缺口内的尖峰,这是马略阿纳费米子对的明显特征。

正如理论预测的那样,我们只能在岛的两端看到这种尖峰。Moodera说。在其他任何地方,你都看不到它。

在我的谈话中,我想说的是,我们在黄金的海洋中找到了马略阿纳岛。李补充道。

穆德拉说,团队的设置只需要三层即可。金夹在铁磁体和超导体之间;是一个容易实现的、稳定的系统。与传统的基于半导体的量子位产生方法相比,这种方法在经济上也具有可扩展性。

看到一对马约阿纳费米子是制造量子比特的重要一步。魏说。下一步就是从这些粒子中制造出一个量子位,现在我们已经有了一些实现这一目标的想法。

超导金表面态中一对马约纳零模的特征作者Sujit Manna,彭伟,谢英明,罗金屯,Patrick A. Lee和Jagadeesh S. Moodera, 2020年4月6日,《国家科学院院刊》。

DOI: 10.1073 / pnas.1919753117

这项研究的部分资金由美国约翰·坦普尔顿基金会提供。海军研究办公室、国家科学基金会和美国能源部。

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