物理学家发现量子超导体中的行为提供了新的控制水平

一项新研究发现了电流通过量子超导体时的重要行为，有可能推动量子计算等未来技术的发展。

在一篇即将被《物理评论快报》接受发表的论文中，该研究集中于弗洛凯马约拉纳费米子及其在约瑟夫森效应现象中的作用，这种现象可以实现对量子驱动计算机系统的更精确控制。

这项研究由印第安纳大学伯明顿分校文理学院物理学教授 Babak Seradjeh 与印度理工学院坎普尔分校理论物理学家 Rekha Kumari 和 Arijit Kundu 共同撰写。该研究可在arXiv预印本服务器上找到。

有可能彻底改变量子计算

巴巴克教授及其同事解决了当今量子计算机的一个核心问题：不稳定性。这种不稳定性主要归因于所谓的量子退相干，即量子比特(称为量子位)由于环境干扰(例如温度波动或电磁噪声)而失去其微妙的量子态。

量子计算机通常需要使用超导体，这种材料由能够以零电阻导电的材料制成，这意味着它们可以传输电流而不会损失任何能量。然而，当今的超导体只能在极低的温度下工作——接近绝对零度。

这使得量子计算机在保持低温(从而保持稳定)时需要耗费极大的能量，因为当量子比特没有保持足够冷时，它们会变得更加不稳定，这意味着错误发生得更快、更频繁。

“室温超导体”的科学探索通常被称为超导的圣杯，因为冷却过程非常昂贵且复杂。如果科学家能够开发出在室温下(约 20-25°C 或 68-77°F)表现出超导性的材料，它将彻底改变我们所知的技术，从而实现无损电力传输、速度成倍增加且更节能的电子设备、用于 MRI 机器等应用的强力磁铁以及先进的储能系统。

弗洛凯马约拉纳费米子对量子计算有何特殊意义?

研究人员研究的核心是马约拉纳费米子，这是一种行为独特的亚原子粒子;与大多数粒子不同，马约拉纳费米子是它们自己的反粒子。(对于宇宙中的每一种粒子——例如电子和质子——都存在一个具有相反性质的对应反粒子，粒子和反粒子之间的这种对称性是宇宙结构的基本组成部分。)

研究人员认为马约拉纳费米子存在于某些材料中，例如拓扑超导体。这些材料与普通超导体的不同之处在于，拓扑超导体的表面或边缘具有独特、稳定的量子态，这些量子态受到材料底层拓扑(即其结构在量子层面上的形成方式)的保护。

这些表面状态使它们能够抵抗干扰，这就是为什么它们有潜力开发更稳定的量子计算机。这些特殊的边缘状态还可以容纳马约拉纳费米子等奇异粒子，而这些粒子在普通超导体中并不存在。

研究人员在特定环境下探索了马约拉纳费米子：周期性驱动的超导体，也就是说，它们暴露在外部能源中，这些能源以重复的模式循环开启和关闭。这种周期性驱动改变了马约拉纳费米子的行为，将它们转变为弗洛凯马约拉纳费米子 (FMF)。

Floquet Majorana 费米子可以存在于不同的状态，根据它们与循环能源的相互作用而变化。这些 FMF 以独特的方式影响电流，导致科学家所说的约瑟夫森效应——一种量子现象，电流可以在两个超导体之间流动，而无需施加电压——也就是推动两点之间电流的压力。这种周期性驱动超导体是维持 FMF 及其创造的不寻常模式的关键。

在大多数系统中，两个超导体之间的电流会定期重复。然而，在 FMF 中，一些先进的超导体会出现一种特殊的电行为，电流以正常速率的一半振荡，形成一种独特的、较慢的模式，使系统更加稳定。

这种稳定性至关重要，因为它有助于提高量子计算机的性能和可靠性，而量子计算机依靠精确稳定的量子态来处理信息。换句话说，这种较慢的振荡可以使量子设备更高效，更不容易受到干扰，这是当今量子计算面临的一大挑战。

利用新技术调节电流

巴巴克及其同事的研究揭示的一个重要发现是，约瑟夫森电流的强度(即电流量)可以通过超导体的化学势进行调节。

简单地说，化学势就像一个调节材料性质的刻度盘，研究人员发现，它可以通过与驱动系统的外部能量源的频率同步来进行修改。

这让科学家能够对量子材料进行全新级别的控制，并为量子信息处理中的应用开辟了可能性，因为精确操控量子态至关重要。这对量子计算的影响是巨大的，因为这项技术依赖于以稳定且可预测的方式操控量子态。

弗洛凯马约拉纳费米子具有可通过外部驱动器进行控制的独特性质，这一发现可能有助于构建不仅速度更快而且更能抵抗错误的量子计算机铺平道路。

马约拉纳费米子对研究人员来说尤其令人兴奋，因为它们有望支持容错量子计算——也就是说，信息可以在不因噪音或其他干扰而丢失的情况下被存储和操作。

尽管该研究仅是理论性的，但研究小组通过计算机模拟证实了他们的研究结果，这些发现为全世界的研究人员探索量子系统中新的可控特性提供了路线图。

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