目前量子電腦的開發(fā)經(jīng)常使用一些無法為大眾市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)商用化的特殊材料，包括從超冷超導(dǎo)體到利用雷射脈沖將氣體離子充滿電晶體等。如今，這一切即將發(fā)生改變。

　　根據(jù)美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)的研究人員發(fā)現(xiàn)，結(jié)合鐵磁體和拓?fù)浣^緣體這兩種低成本且來源豐富的固態(tài)材料，可望打造以模擬電晶體方式開關(guān)量子位元的量子高速公路。

　　“鐵磁性可在塊狀(bulk)能隙帶開啟微小間隙，改變拓?fù)浣^緣體的電子結(jié)構(gòu)，”在MIT教授Ju Li實(shí)驗(yàn)室工作的博士后研究員Cui-zu Chang表示：“此外，它還達(dá)到所謂‘量子反常霍爾狀態(tài)’(quantum anomalous Hall state)的量子相變，其中耗散較少的對(duì)掌型導(dǎo)電通道開口恰好位于零磁場(chǎng)的樣本邊緣。”

　　其結(jié)果是，在鐵磁材料和拓?fù)浣^緣體介面的這些特性可能就是制造“完美量子開關(guān)”的關(guān)鍵——以相對(duì)較低廉的材料打造以及僅需少量的能源操作，實(shí)現(xiàn)無摩擦的量子位元傳輸。

　　在圖中顯示的層疊結(jié)構(gòu)中，黃色球體代表碲原子；淡藍(lán)色球體代表銻-鉍；紫色球體代表硫。帶箭號(hào)的黑色球體代表摻雜原子；帶箭號(hào)的綠色球體顯示銪原子。各色箭號(hào)表示不同的互動(dòng)——在Heisenberg平面的互動(dòng)(橘色)、超交換平面之間的互動(dòng)(綠色)以及在拓?fù)浣^緣表面(藍(lán)色)的自旋極化狀態(tài)。

　　“多年來，我們研究了與此相關(guān)的各種課題——僅在表面/介面建立磁性——其中最迷人的現(xiàn)象就是磁絕緣體與超導(dǎo)體的近接感應(yīng)交流耦合。這種方式可在介面產(chǎn)生極大的磁場(chǎng)(比地球磁場(chǎng)強(qiáng)度更大數(shù)十到數(shù)百萬倍Tesla)。”MIT資深科學(xué)家Jagadeesh Moodera表示，“由于拓?fù)浣^緣體表面發(fā)揮最重要的作用，很顯然地，在本地施加這么巨大的內(nèi)部磁場(chǎng)影響其重要之處，也不至于明顯干擾材料的其他部份。相反地，這種介面域還開啟了表面能隙帶所需的交換間隙，帶來許多新穎的量子現(xiàn)象，而無需使用非常昂貴且耗費(fèi)大量能源的外部磁力?！?/p>

　　結(jié)合這兩種材料，使得開關(guān)“量子位元”的奧妙以及像“超導(dǎo)體”般的行為成為可能，為進(jìn)一步的研究帶來了希望，揭示如何回避至今研究人員針對(duì)這兩種現(xiàn)象所使用的暴力途徑?；蛟S無需使用昂貴材料或高成本操作方式，就能實(shí)現(xiàn)相同的結(jié)果。

　　自旋極化中子光束(紅色球體)入射于樣本上，共同采集自旋元件(紅色和藍(lán)色球體)。

　　“現(xiàn)在我們可以自由地操縱介面附近的磁序。小型間隙開口將使得拓?fù)浣^緣體表面的電子狀態(tài)表現(xiàn)得像半導(dǎo)體一樣，因而能夠用于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，”Chang解釋：“盡管用于量子電腦，利用鄰近效應(yīng)操縱電子狀態(tài)，可能導(dǎo)致所謂“馬約拉費(fèi)米子”(majorana fermions)的糾結(jié)電子狀態(tài)，可用于量子位元，打造量子電腦的建構(gòu)模組結(jié)構(gòu)。

　　“馬約拉費(fèi)米子”是由義大利物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納(Ettore Majorana)在1937年所提出的假設(shè)——每一種新的粒子就是本身的反粒子?！榜R約拉費(fèi)米子”被假定為以準(zhǔn)粒子激發(fā)的形式存在于超導(dǎo)體中，從而開啟了量子位元沿著拓?fù)浣^緣體表面形成無摩擦傳導(dǎo)的可能性。

　　后續(xù)還需要更多的研究才能證實(shí)這些結(jié)果，以及實(shí)際建構(gòu)出超導(dǎo)量子電晶體。然而，MIT的11位研究人員們(包括美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所、布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、東北大學(xué)與波士頓學(xué)院的科學(xué)家)并不擔(dān)心未來所面臨的挑戰(zhàn)。事實(shí)上，為了能夠盡快圓夢(mèng)，他們已經(jīng)展開下一階段的研究了。

　　“接下來的步驟有兩個(gè)方面，一個(gè)是基礎(chǔ)研究：我們想用這種磁性來創(chuàng)造其他的新磁序，例如2D自旋液體，它對(duì)于解釋高溫超導(dǎo)體可能十分有幫助，”Chang說，“另一方面是應(yīng)用。我們正試著為日常生活的應(yīng)用提升在室溫下的效果?！?/p>

　　這種“鄰近磁性”效果，以及它所開啟的微小能隙，產(chǎn)生了建構(gòu)量子電晶體所需的特性，使其得以開關(guān)量子位元沿拓?fù)浣^緣體的表面流動(dòng)的自旋編碼。根據(jù)該校博士候選人Mingda Li表示，這些由拓?fù)浣^緣體所激勵(lì)的新結(jié)構(gòu)可能成為未來量子電腦的建構(gòu)模組。

　　這項(xiàng)研究由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)、海軍研究辦公室以及能源部贊助。