超薄新材料推进量子计算

近期一份发表在《自然》（Nature）期刊上的研究称，利用超薄的材料造出了科学家一直在探索的马约拉纳（Majorana）量子态，为造出抗干扰性能强的量子比特奠定了基础。

研究者在特殊的二维超薄材料中发现了被称为马约拉纳零能量模式的神秘量子态。此为示意图。（Alex Tokarev, Ella Maru Studio Aalto University）

马约拉纳费米子（fermion）是意大利理论物理学家埃托雷・马约拉纳（Ettore Majorana）1937年提出的一种假设的粒子。它具有粒子的特性，但却不是真正的粒子。现在科学家认为这种粒子是解决量子比特不稳定性的优质方案之一。

这份研究称造出了一种神秘的量子态——一维马约拉纳零能量模式（MZMs）。

量子计算机的核心是量子比特材料的选择。谷歌去年高调宣布的梧桐（Sycamore）处理器和其它几家公司研发的处理器所使用的量子比特，抗干扰性能比较差，出错率较高。研究人员认为新型的拓扑量子比特能够解决这个问题，而一维马约拉纳零能量模式正是制造这种量子比特的核心所在。

项目负责人芬兰阿尔托大学（Aalto University）的利耶罗斯（Peter Liljeroth）说：“拓扑量子电脑以拓扑量子比特为基础，理论上比其它量子比特的抗干扰性能好。”

什么是马约拉纳零能模

这是一组以特殊的方式绑定在一起的电子，它们整体的行为就像一个马约拉纳费米子一样。困难的是，科学家从未在宇宙中观测到这种粒子，也没在实验室造出过。

研究人员考虑，给予一组电子特定的、很小的一个能量值，把它们围在一起，不要让任何电子离开，以创造MZMs。为了实现这一点，材料必须是扁平的，越薄越好。研究人员需要一种全新的平面材料——拓扑超导体才能实现一维马约拉纳零能模。

研究介绍说，拓扑超导是在磁电绝缘层和超导体交界处的特性。研究人员目标把电子困在拓扑超导体内，可是，这不是简单地把任何磁铁黏在任何一块超导体上面就能实现。

“对于多数的磁铁来说，当你把它放在超导体上面的时候，将破坏超导体的超导特性。”研究作者之一凯齐别克（Shawulienu Kezilebieke）说，“两种材料的互动破坏了它们的特性 。为了造出MZMs，必须限制两种材料只有少量互动。因此使用非常薄的平面材料是关键：这让材料之间既有足够的互动产生MZMs特性，又不会互动太多而互相损害。”

这项研究使用的超导体是一层溴化铬，只有一层原子的厚度，并带有磁性。

最后，研究组需要电脑模型专家的帮助证明他们的产物。合作研究员电脑建模专家福斯特（Adam Foster）说：“需要大量模拟工作证明，我们看到的信号是来自MZMs，我们得证明各方面特征全都符合。”

研究组表示，他们确信通过平面材料已经造出了一维马约拉纳零能模，接下来，他们将尝试用它们造出量子比特。