量子计算关键材料难造？科学家发现只需调整两种元素比例

探索宇宙奥秘 · 理性思考

量子计算机拥有惊人的算力。

它们能破解复杂密码，也能设计新药。

但这只是理论上的美好。

现实很骨感：量子比特非常脆弱。

环境里的一点点噪声，就能让计算出错。

科学家急需一种特殊的材料来解决这个问题。

它就是拓扑超导体。

这种材料能产生受保护的量子态，天然抗干扰。

可惜，它极难制造。

最近，美国芝加哥大学和西弗吉尼亚大学的研究团队取得了一项突破。

他们发现，只需调整材料配方中两种元素的比例。

就能像调节收音机旋钮一样，“调”出这种珍贵的量子态。

这项研究发表在《自然·通讯》上。

这项研究的核心是一种材料：铁碲硒化物。

这是一种铁基超导体。

它本身就具备超导性和拓扑性质。

研究团队没有使用传统的体块晶体。

他们制备了仅有10个原子层厚的超薄薄膜。

这种薄膜是制造量子器件的必需品。

关键的突破在于对化学组分的微调。

研究人员精确控制了碲和硒这两种元素的比例。

这不仅仅是换个配方那么简单。

改变比例，直接改变了材料内部电子之间的相互作用。

这种相互作用被称为“电子关联”。

他说，这就像调节一个旋钮。

如果电子关联太强，电子会被“冻”在原地动弹不得。

如果关联太弱，材料就会失去特殊的拓扑性质。

只有找到那个“刚刚好”的平衡点。

拓扑超导体才会诞生。

实验中出现了一个意想不到的现象。

当碲的含量超过70%时，材料发生了第一次相变。

它从普通的拓扑相变成了非平凡的拓扑相。

这符合理论预测。

但当碲的含量继续增加，接近纯铁碲时。

奇怪的事情发生了。

原本存在的拓扑表面态突然消失了。

材料又变回了普通的拓扑相。

这一发现让团队很困惑。

西弗吉尼亚大学的理论物理学家克里斯托弗·雅各布斯进行了计算。

计算结果揭示了真相。

是电子关联在幕后操纵了一切。

随着碲浓度的变化，电子的运动方式发生了改变。

这种关联效应驱动了材料在不同量子态之间切换。

这告诉我们一个道理。

量子材料并不是一成不变的。

我们可以利用材料内部的微妙相互作用，主动设计量子态。

这为制造量子计算所需材料提供了全新的工具。

说到铁基超导材料，中国在这个领域有着深厚的底蕴。

2008年，中国科学家陈仙辉、王楠林等团队发现了铁基高温超导体。

这打破了人们对超导材料的传统认知。

中国也因此一度站在了铁基超导研究的世界最前沿。

在铁碲硒化物这个具体体系上，中国的表现同样抢眼。

中科院物理研究所的研究员马旭村团队，在该领域深耕多年。

他们早在2012年前后，就利用分子束外延技术生长出了高质量的薄膜。

并观测到了马约拉纳费米子存在的迹象。

这正是拓扑超导体的标志性特征。

可以说，中国在材料的制备和基础物性探测上，处于世界第一梯队。

此次芝加哥大学的研究，并非是“弯道超车”。

而是提供了一种更精细的“调谐”手段。

他们不仅验证了电子关联的关键作用。

还展示了如何通过化学计量比来精确控制这种关联。

对于中国的研究者来说，这是一个极具价值的参考。

它意味着我们在制备器件时，多了一个控制维度。

国内的实验室完全有能力迅速跟进这一发现。

结合中国在薄膜生长技术上的积累。

有望在未来的量子器件竞争中，进一步巩固优势。

这项研究的最终目标，是造出能用的量子计算机。

目前的拓扑超导候选材料，大多工作条件苛刻。

也就是接近绝对零度的极低温。

这对制冷设备提出了极高要求。

而芝加哥大学团队制备的铁碲硒化物薄膜。

虽然听起来还是很低。

但在量子世界里，这已经是“高温”了。

这大大降低了冷却的难度和成本。

此外，薄膜形态比体块晶体更适合制造芯片。

如果成功，我们将离容错量子计算机更近一步。

未来的量子计算，或许就诞生在这些只有几个原子厚的薄膜之中。