中国科学家重大发现,或成为拓扑量子计算机“敲门砖”-资讯-知识分子

中国科学家重大发现,或成为拓扑量子计算机“敲门砖”

2018/08/16
导读
这扇门,是扇“铁”门。

编者按


8月17日凌晨,国际顶级期刊《科学》Science发表了中科院物理所丁洪-高鸿钧共同领导的合作团队的一项研究成果[1]:他们首次在铁基超导材料中发现了马约拉纳束缚态(或称为零能模)

用丁洪的话讲:“此次工作不仅在较高温度、较高纯度的情况下实现了对马约拉纳零能模的直接观测,更在铁基超导的拓扑领域开了‘一扇门’,为后续实现“编织量子比特”,进而制造拓扑量子计算机打下了坚实的基础。”

那么,“马约拉纳零能模”这个拗口的名词又与时下火爆的量子计算机有哪些关系呢?笔者尽量用“门槛低”的话给您娓娓道来。


撰文 | 吕浩然

责编 | 李晓明


  


摩尔定律——“天花板”的束缚


经过七十余年的发展,现今的计算机与最早的ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)[2]相比已经有了质的飞跃。ENIAC这个重达27吨、每秒运算5000次(加减运算)的大家伙注定会成为历史,但却不影响它在计算机发展历程中“第一”的地位。


随着晶体管、集成电路等硬件技术的发展以及软件、算法的不断革新,计算机体积变得越来越小,功能越来越强大,但如今也面临着一个叫做“摩尔定律”[3]的“天花板”。摩尔定律曾预言:当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。


这个由Intel创始人之一Gordon Moore提出来的定律在计算机技术大肆发展的年代还适用,但随着硅基晶体管集成电路逐渐接近性能极限,这条定律也几乎压得人们喘不过气来。那么,后“摩尔定律”时代,计算机应向哪个方向走?


有人从材料入手:硅基材料接近了性能极限,那就从同样丰富且廉价,还能规避硅基材料缺点的其他材料入手,例如碳基材料。


还有人从计算系统入手:现今的数字计算机采用的都是二进制系统,即0或1,一个0/1即信息量的最小度量单位,称为1比特(BIT),我们通常衡量一个数字文件大小所用到的是BByte,即字节(1 GB = 1024 MB = 1024KB = 1024B),1字节等于8比特。


而量子计算机却与数字计算机不同,或者通俗地说,量子计算机中的量子比特(qubit)不仅能够表示0或1,甚至还包括了0与1之间的数字,这也大大提高了其运算能力!


因此,量子计算机成为了下一代计算机的一大热门,而其中制备稳定的量子比特就成了关键环节之一。


马约拉纳零能模——承载量子比特的“热门候选”


没有量子比特的量子计算机无异于一幅空壳。2000年,IBM的科学家David  DiVincenzo提出了建造量子计算机的五个要求和两个辅助条件,为未来具有实用价值的量子计算机画出了蓝图,而其中的第一个要求,就是“一个能表征量子比特并可扩展的物理系统”[4,5],也就是说,要找到合适的材料或系统去承载量子比特成了量子计算机的敲门砖。


现今制备量子比特的方法有很多,离子阱、超导电路、金刚石色心、半导体量子点等等,皆有可能[5]。但这些方法都或多或少有一些困难需要克服。其中,只存在于固体材料中的马约拉纳零能模,系一种存在于拓扑超导体中奇异的准粒子激发,服从非阿贝尔统计(简单地说就是“先交换1、2再交换2、3”与“先交换2、3再交换1、2”的操作不等价),可用于构建拓扑量子比特。


而与传统的量子比特相比,拓扑量子比特由马约拉纳零能模编织操作的时间线纽结决定,对外界局域的扰动不敏感。因此具有丰富的潜在应用价值,可以用来构筑高容错的量子计算机[6]


为量子计算提供一个新的平台


然而,找到马约拉纳零能模却并容易。


1937年,意大利物理学家马约拉纳(Ettore Majorana)预言了一种神奇的基本粒子——马约拉纳费米子,它的神奇之处在于,马约拉纳费米子的反粒子就是它本身。然而,八十余年过去了,在真实的世界中,马约拉纳费米子的身影仍未被捕获(这仍有待高能实验物理去发现)


Ettore Majorana,图片来源:Wikipedia


而在凝聚态物理中,科学家们却在一大类材料——拓扑超导体中(准确地说是在破缺时间反演对称性的本征P波超导体中)发现了具有马约拉纳费米子性质的准粒子,然而,破缺时间反演对称性的本征P波超导体在自然中却十分稀有(纯度要求非常高,且对杂质非常敏感)


2008年,麻省理工学院理论物理学家傅亮和Charles Kane首次提出通过超导近邻效应制备等效的P波超导异质节材料[7]。这个革命性的理论设想一经发表,便开启了一场在“人工p波超导”异质节中寻找马约拉纳零能模的国际竞赛。


而在这场竞赛中,不乏华人的身影。


2016年6月22日,上海交通大学贾金锋研究团队率先观测到了在拓扑绝缘体/超导体异质节的磁涡旋中存在马约拉纳零能模的重要证据,该成果发表在《物理评论快报》Physical Review Letters上。


2017年7月21日,《科学》Science在线发表了由美国加利福尼亚大学洛杉矶分校王康隆课题组主导,斯坦福大学张守晟课题组及上海科技大学寇煦丰课题组等8家单位合作完成的一项研究成果——首次在磁性拓扑绝缘体薄膜与超导体结合的异质结构中发现了一维手性马约拉纳费米子存在的证据[8]


而在2018年3月9日,《科学》Science杂志在线发表了丁洪课题组与东京大学固体材料研究所、普林斯顿大学、布鲁克海文实验室、南京大学等合作团队的一项研究[9],研究人员在铁基超导体FeTe0.55Se0.45(铁碲0.55硒0.45)中发现了拓扑超导性[10]


中国科学院大学卡弗里理论科学研究所所长张富春也就丁洪-高鸿钧联合团队取得的最新研究成果向《知识分子》评论道:“铁基超导转变温度高、超导能隙大,其产生的马约纳拉零能模不易‘量子中毒’。丁洪等人的这一发现为量子计算的探索提供了一个全新的平台。”


因此,此次丁洪-高鸿钧联合团队实现的在铁基超导中对马约拉纳零能模的大量直接观测则更像是“在自家门扉前欣赏美景”。


众里寻“马”千百度


“其实,门并不是那么好开的,还得你认准了方向才成。”对于此次的研究历程,丁洪告诉《知识分子》,“千百次的观测可能会得到我们想要的结果,也可能会什么都得不到。幸运地是,我们最后还是找到了!”


据丁洪介绍,其实他们并不是在铁基超导体看到零能峰的第一人,美国康奈尔大学的J. C. Séamus Davis在实验中看到过零能峰,“Davis他们几乎早了我们一年,但是他们却不相信铁基超导中能够有马约拉纳零能模,没有继续深入地做下去。而我们则坚信铁基超导材料中可以观测到马约拉纳零能模,结果我们确实找到了它存在的大量实验证据”。


这听起来更像是一句“信则有之”的禅语,但此次发现的历程却并无多少禅意,而是一步一步、脚踏实地的推进。丁洪研究组先后与中科院物理所方忠、戴希研究组以及日本东京大学Shin研究组、麻省理工学院傅亮教授、美国布鲁克海文国家实验室顾根大教授的前期合作,皆是实打实的积累。“这次的研究要求实验的样品纯度非常高,顾根大教授在Fe(Se,Te)高质量单晶生长上具有深厚的造诣,为研究团队提供了高质量的单晶。”丁洪补充道。


据丁洪回忆,去年(2017年)4月份,当高质量能带测量结果刚刚完成之时,他就找到了物理所的同事高鸿钧院士,商讨对直接测量马约拉纳束缚态展开合作。“高鸿钧院士课题组具有十分强大的仪器装备,在实验测量上有着厚重的经验积累。这使得研究团队可以同时使用两台He-3极低温强磁场的扫描隧道显微镜进行实验。”丁洪感叹,“这样优异的条件为国内外很多同行所羡慕。”

 

然而即便是一切都具备了,前几次的观测却仍未找到马约拉纳零能模,“前面多次的观测皆未找到,直到更换到第13个样品时,我们才观测到了目标现象。”丁洪表示,“我们已经排除了可能产生干扰的因素,理论上也为观测到马约拉纳零能模提供了充分条件,那么一旦观测到了,这就是对马约拉纳零能模的直接观测。”


而对于未来实现量子拓扑计算机,丁洪则显得乐观而谨慎,“我们的工作只是在铁基超导上实现了对纯的马约拉纳零能模的直接观测,同时,观测的温度比较高,可能实现在液氦温度下对马约拉纳零能模的调控,这些都在为拓扑量子算机打基础,同时开辟了铁基超导这条新的路径,这都证明了它的研究价值。”


针对此次研究,2003诺贝尔物理学奖得主Anthony J. Leggett、斯坦福大学张首晟教授、麻省理工学院文小刚教授皆提供了书面评价(丁洪提供):


Anthony J. Leggett: 

Your experiment is that it is cleaner than many previous ones, and I believe the first plausible claim of evidence for Majoranas in a bulk superconductor; if your identification of the ZBP as a Majorana is correct, this may make the attainment of braiding considerably easier. While I would not regard this identification as necessarily unique, I think your characterization of it as the "most probable" of the available explanations is not unreasonable.

(译:我认为你们的实验比许多以前的实验更清晰,我相信它是第一个可信的证明体超导体中拥有马约那纳粒子的证据;如果这个零能峰是马约那纳的前提是正确的话,这可能会使实现编织容易得多。虽然我不认为这种鉴定一定是独一无二的,但我认为你们结论是现有解释中“最有可能”的说法是合理的。)


张首晟:

一年前我们宣布了“天使粒子”的发现,完成了整整八十年对神秘的Majorana费米子的寻找。但是我们的体系有不足之处,实验体系是由常规超导体与量子反常拓扑绝缘体构成的混合器件,另外现象是在超低温的极端条件下才出现的。

今天丁洪和高鸿钧教授共同领导的联合实验小组宣布了振奋人心的新发现,发表在著名的《科学》杂志上。在2016年我的理论小组预言了铁基超导体Fe(Se,Te)系统有拓扑表面态,当体内进入超导态后表面会进入拓扑超导态,在磁涡中存在Majorana零能模。

丁洪教授是世界级的杰出实验物理学家,对超导领域的研究做出了杰出的贡献。在今天发表的工作中,他们的实验证实了我们的理论预言,用STM的实验手段观察到了Fe(Se,Te)拓扑表面态磁涡中的Majorana零能模。

这项发现科学意义十分重大,大大推动了铁基超导的研究与马约拉纳费米子的研究。Fe(Se,Te)是一个本征系统,许多物理性质优于混合系统,效应存在的温度较高,不需要极端的超低温条件。Majorana费米子可用于拓扑量子计算机,能用量子平行的原理秒算许多数学难题。常规量子计算中一个有用的量子比特需要10~100个纠错比特为其服务,而拓扑量子比特自带纠错能力,有更好的拓展与鲁棒性能。

基于以上的优点,我认为这次理论与实验紧密合作的科学发现是有重大而深远的科学意义的。


文小刚:

铁基超导体,是第二类高温超导体。中国科学家,包括丁洪团队,在这一领域中,取得了世界范围内的主导地位,发现了很多新的铁基超导材料,和各种有趣的物理性质。最近丁洪-高鸿钧团队及合作团队在一种铁基超导材料中,发现了一个更有意思的现象:他们观察到马约拉那零模的特征信号。这使铁基超导材料有可能应用于构建,对环境干扰免疫的拓扑量子计算机。

马约拉那零模是粒子的一个性质。有这个性质的粒子具有非阿贝尔统计(是波色统计费米统计的推广)。这种粒子的最奇妙之处,就是它带有分数自由度,如半个量子比特。交换这种粒子就可以实现拓扑量子计算。

非阿贝尔粒子早在1991年就在理论上被提出,可以存在于一些二维拓扑序材料中。1999又被指出可能存在于二维p波超导材料中。由于它是一种全新的粒子,也由于它在拓扑量子计算中的重要性,多年来实验物理学家一直在疯狂的搜寻它在真实材料中踪迹。这次在铁基超导材料表面观察到马约拉那零模的特征信号,有很高的稳定度。是一个重要的发现。



参考文献:

[1] 此次文章链接

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/ENIAC

[3] https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%91%A9%E5%B0%94%E5%AE%9A%E5%BE%8B

[4] https://arxiv.org/abs/quant-ph/0002077

[5] https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAwMzc2MTA4Ng==&mid=2247488299&idx=1&sn=0a21d3d0a0916bf6b6e6842ed5353648&source=41#wechat_redirect

[6] https://mp.weixin.qq.com/s?src=11&timestamp=1534085615&ver=1056&signature=kYuz2*kOaK81G8FgqC9yLzgbz1rvWJUbDNoYJpDnO3*n*2fjEgZL1tv1SUn-uGIHkI4gSoteo22RdWRwuVCT8uwYo9AtrMmKayByMU3WQtcbmSdNFW0HyGTZs5WRRZiz&new=1

[7] L. Fu, C. L. Kane, Superconducting proximity effect and majorana fermions at the surface of a topological insulator. Phys. Rev. Lett. 100, 096407 (2008). Medline doi:10.1103/PhysRevLett.100.096407 

[8] Qing Lin He, Lei Pan, et al. & Kang L. Wang, Chiral Majorana fermion modes in a quantum anomalous Hall insulator–superconductor structure, Science. 21 JULY 2017, VOL 357 ISSUE 6348.

[9] Peng Zhang, et al. & Hong Ding, Shik Shin, Observation of topological superconductivity on the surface of an iron-based superconductor, Science, 13 Apr 2018. DOI: 10.1126/science.aan4596


制版编辑 | Livan

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