拓扑量子计算获突破

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  本报北京6月8日电（记者齐芳）意大利物理学家埃托雷·马约拉纳在1937年理论预言了一种神奇的基本粒子——马约拉纳费米子，它的反粒子就是它本身。科学家们从未在现实中观测到这种粒子，但凝聚态物理学家们却在固体材料中发现了类似的粒子，被称为“马约拉纳准粒子”或“马约拉纳零能模”。这种准粒子的编织操作被认为是实现容错拓扑量子计算的重要途径，是国际学术界关注的焦点，也是难以攻克的难点。

  中国科学院物理研究所高鸿钧研究组与靳常青研究组、美国波士顿学院的汪自强合作，实现了大面积、高度有序和可调控的马约拉纳零能模格点阵列，向拓扑量子计算的实现迈出了重要一步。这一成果发表在6月8日出版的国际学术期刊《自然》上。

  “量子计算的主要挑战在于量子态很容易受环境的干扰，产生退相干现象，使得计算过程中会不断地产生错误。而由马约拉纳零能模组成的非局域拓扑量子比特可以从原理上解决量子计算无法避免的量子退相干问题，这引起了研究人员的广泛关注。”高鸿钧院士介绍。

  早在2018年，高鸿钧研究团队就与丁洪研究团队合作，首次在铁基超导材料中观测到马约拉纳零能模。随后的研究中，他们进一步给出了一种铁基超导样品表面马约拉纳零能模存在的微观物理机制，澄清了马约拉纳零能模的拓扑本质。2020年，研究团队再接再厉，观测到了马约拉纳零能模的近量子化电导平台特征，给出了铁基超导体中存在马约拉纳零能模的关键性实验证据。与此同时，他们还在其他铁基超导体上观测到了马约拉纳零能模，极大地扩展了马约拉纳零能模载体平台。

  高鸿钧说：“然而，这些铁基超导材料体系还是存在着材料组分不均一、磁通涡旋阵列无序且不可控以及马约拉纳零能模占比低等问题，阻碍了其进一步的研究和应用。”

  最近，研究团队对铁基超导体锂铁砷进行了细致而深入的研究，诱导出大面积、高度有序和可调控的马约拉纳零能模阵列。同时，这种有序的马约拉纳零能模阵列可被外磁场很好地调控——随着磁场增加，涡旋间距减小，马约拉纳零能模间的相互作用开始凸显。

  有评论认为，这一发现对于实现马约拉纳零能模的编织以及拓扑量子计算具有里程碑的意义，为下一步实现马约拉纳零能模的编织以及拓扑量子计算奠定了坚实的基础。