新材料可能是解决量子计算问题的关键

据一个国际研究团队称，一种新型的分层二维 (2D) 材料异质结构可能使量子计算能够克服其广泛应用的关键障碍。

研究人员由宾夕法尼亚州立大学纳米科学中心(CNS)的一个团队领导 ，该中心是 19 个材料研究科学与工程中心 (MRSEC) 之一，由国家科学基金会资助。他们的工作于 2 月 13 日发表在Nature Materials 上。

一台普通计算机由数十亿个晶体管(称为位)组成，并由二进制代码控制(“0”= 关闭，“1”= 开启)。量子位，也称为量子位，基于量子力学，可以同时为“0”和“1”。这被称为叠加，可以使量子计算机比常规的经典计算机更强大。

然而，构建量子计算机存在一个问题。

“IBM、谷歌和其他公司正试图制造和扩大基于超导量子比特的量子计算机，”宾夕法尼亚州立大学物理学教授、该研究的通讯作者朱军说。“如何最大限度地减少经典环境的负面影响，这会导致量子计算机运行出错，是量子计算中的一个关键问题。”

这个问题的解决方案可以在称为拓扑量子位的奇异版本的量子位中找到。

“基于拓扑超导体的量子位有望受到超导拓扑方面的保护，因此更能抵抗环境的破坏性影响，”朱说。

拓扑量子位与数学中的拓扑有关，其中结构正在经历物理变化，例如弯曲或拉伸，但仍保持其原始形式的属性。它是一种理论类型的量子比特，尚未实现，但其基本思想是某些材料的拓扑特性可以保护量子态不受经典环境的干扰。

该研究的第一作者、物理学研究生李策群表示，目前有很多人关注拓扑量子计算。

“量子计算是一个非常热门的话题，人们正在考虑如何构建计算错误更少的量子计算机，”李说。“拓扑量子计算机是一种很有吸引力的方法。但拓扑量子计算的关键正在为它开发合适的材料。”

该研究的研究人员通过开发一种称为异质结构的层状材料朝这个方向迈出了一步。研究中的异质结构由一层拓扑绝缘体材料、碲化铋锑或 (Bi,Sb)2Te3 和超导材料层、镓组成。

“我们开发了一种特殊的测量技术来探测 (Bi,Sb)2Te3 薄膜表面的邻近感应超导性，”Zhu 说。“邻近诱导的超导性是实现拓扑超导体的关键机制。我们的工作表明它确实发生在 (Bi,Sb)2Te3 薄膜的表面。这是实现拓扑超导体的第一步。”

然而，这种拓扑绝缘体/超导体异质结构很难创建。

“这通常并不容易，因为不同的材料具有不同的晶格结构，”李说。“此外，如果将两种材料放在一起，它们可能会相互发生化学反应，最终导致界面混乱。”

因此，研究人员正在使用一种称为限制异质外延的合成技术，该技术正在 MRSEC 进行探索。这涉及在镓层和 (Bi, Sb)2Te3 层之间插入一层外延石墨烯，这是一层厚度为一个或两个原子的碳原子。Li 指出，这使得各层能够相互连接和组合，就像将乐高积木拼在一起一样。

“石墨烯将这两种材料分开并充当化学屏障，”李说。“因此，它们之间没有反应，我们最终得到了一个非常好的界面。”

此外，研究人员证明该技术可在晶圆级扩展，这将使其成为未来量子计算的一个有吸引力的选择。晶圆是半导体材料的圆形切片，用作微电子的基板。

“我们的异质结构具有拓扑超导体的所有元素，但也许更重要的是，它是一种薄膜并且具有可扩展性，”李说。“因此，晶圆级薄膜具有巨大的未来应用潜力，例如构建拓扑结构量子计算机。”

这项研究是 CNS 的IRG1 - 二维极性金属和异质结构团队的共同努力 ，由 Zhu 和宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程教授 Joshua Robinson 领导。参与这项研究的其他教员包括 Cui-Zu Chang、Henry W. Knerr 早期职业教授和物理学副教授，以及化学和材料科学与工程助理教授 Danielle Reifsnyder Hickey。

“这是我们 MRSEC 的 IRG1 团队出色的团队合作，”Zhu 说。“Robinson 小组使用限制异质外延生长了两层原子层镓薄膜，Chang 小组使用分子束外延生长了拓扑绝缘体薄膜，Reifsnyder Hickey 小组和材料研究所的工作人员对异质结构和器件进行了原子尺度表征。”

下一步是完善这一过程，并朝着将拓扑量子计算机变为现实迈出更进一步的一步。

“材料是关键，因此我们的合作者正在努力改进材料，”李说。“这意味着更好的均匀性和更高的质量。我们的团队正试图在这种异质结构上制造更先进的设备，以探测拓扑超导性的特征”

除了 Li、Zhu、Reifsnyder Hickey、Robinson 和 Chang，宾夕法尼亚州立大学的其他作者还包括 Yi-Fan Zhao、Alexander Vera、Hemian Yi、Shalani Kumari、Zijie Yan、Chengye Dong、Timothy Bowen、Ke Wang、Haiying Wang和杰西卡·L·汤普森。来自以色列 Rehovot 的魏茨曼科学研究所的作者包括 Omri Lesser 和 Yuval Oreg。日本筑波国家材料科学研究所的作者包括 Kenji Watanabe 和 Takashi Taniguchi。

该研究的资金由国家科学基金会通过 MRSEC 计划提供。