人民網北京6月9日電 (記者趙竹青)記者從中國科學院獲悉,我國科學家實現了大面積、高度有序和可調控的馬約拉納零能模格點陣列,向拓撲量子計算的實現邁出了重要一步。該研究成果6月8日在《自然》雜志上發表。

據了解,馬約拉納費米子是一種神奇的基本粒子,它的反粒子是它自身。理論物理學家預言,在固體材料中可能會出現與馬約拉納費米子類似的粒子,稱為“馬約拉納準粒子”,或是“馬約拉納零能模”。由于其統計規律表現為一種獨特的“非阿貝爾統計規律”,因此這種準粒子的編織操作被認為是實現容錯拓撲量子計算的重要途徑。

量子計算機在處理復雜問題時有著巨大的優越性,是當前全球研究熱點之一。量子計算的主要挑戰在于量子態很容易受環境的干擾,產生退相干現象,使得計算過程中會不斷地產生錯誤。而由馬約拉納零能模組成的非局域拓撲量子比特可以從原理上解決量子計算無法避免的量子退相干問題,引起了研究人員的廣泛關注。

2018年,中國科學院物理研究所高鴻鈞研究團隊與丁洪研究團隊合作,首次在鐵基超導材料鐵碲硒中觀測到馬約拉納零能模。隨后,他們對鐵基超導體中的馬約拉納零能模進一步研究,給出了樣品表面馬約拉納零能模存在的微觀物理機制,澄清了馬約拉納零能模的拓撲本質。

2020年,他們進一步給出了鐵基超導體中存在馬約拉納零能模的關鍵性實驗證據。與此同時,他們還在鐵磷基超導體單晶表面的磁通渦旋中以及鐵基超導體單晶表面的單個鐵原子上觀測到了馬約拉納零能模,極大地擴展了馬約拉納零能模載體平臺。

然而,這些鐵基超導材料體系還是存在著材料組分不均一、磁通渦旋陣列無序且不可控以及馬約拉納零能模占比低等問題,阻礙了其進一步的研究和應用。

“如何突破當前研究瓶頸,獲得大面積、高度有序且可調控的馬約拉納零能模陣列,向拓撲量子計算更進一步,是當前鐵基超導馬約拉納領域亟待解決的問題之一。”高鴻鈞表示。

最近,高鴻鈞研究組與靳常青研究組、美國波士頓學院的汪自強合作,對鐵基超導體鋰鐵砷進行了細致而深入的研究。他們利用多年積累的強大的掃描隧道顯微鏡研究平臺和豐富的研究經驗在實驗上發現,應力可以誘導出大面積、高度有序和可調控的馬約拉納零能模陣列。

高鴻鈞表示,這項研究首次實現了大面積、高度有序和可調控的馬約拉納零能模陣列,并觀測到了調控引起的馬約拉納零能模相互作用,為下一步實現馬約拉納零能模的編織以及拓撲量子計算奠定了堅實的基礎。