这幅艺术描绘展示了分数量子反常霍尔相中的电子分解—其中强相互作用的电荷可以“分解”成三个部分。
量子计算可以彻底改变我们的世界。对于特定且关键的任务，它有望比当今机器（从实验室的超级计算机到我们口袋里的智能手机）所采用的零或一二进制技术快得多。但开发量子计算机取决于构建稳定的量子比特网络（或量子比特）来存储信息、访问信息并执行计算。
然而，迄今为止推出的量子比特平台都有一个共同的问题：它们往往很脆弱，容易受到外界干扰。即使是杂散光也会造成麻烦。开发不受外部扰动影响的容错量子比特可能是应对这一挑战的最终解决方案。
由华盛顿大学的科学家和工程师领导的团队宣布在这一探索中取得了重大进展。在 6 月 14 日发表在《自然》杂志和 6 月 22 日发表在《科学》杂志上的两篇论文中，他们报告说，在半导体材料薄片（每片只有单层原子厚）的实验中，他们检测到了“分数量子反常霍尔”（FQAH）的特征状态。该团队的发现标志着构建一种容错量子位的第一步，也是有希望的一步，因为 FQAH 态可以容纳任意子——一种奇怪的“准粒子，只携带电子的一小部分电荷。某些类型的任意子可用于制造所谓的“拓扑保护”量子比特，这种量子比特对于任何小的局部干扰都是稳定的。
这些发现背后的首席研究员、波音杰出物理学教授、威斯康星大学材料科学与工程教授Xiaodong Xu说：“这确实为未来研究分数激发量子物理建立了一个新范例。”
FQAH 态与分数量子霍尔态相关，这是一种存在于二维系统中的奇异物质态。在这些状态下，电导率被限制在称为电导量子的常数的精确分数上。但分数量子霍尔系统通常需要巨大的磁场来保持稳定，这使得它们很难在量子计算中的应用。该团队表示，FQAH 状态没有这样的要求——即使“在零磁场下”它也是稳定的。
承载这样一个奇异物质态需要研究人员构建具有奇异特性的人造晶格。他们将两片原子级薄的半导体材料二碲化钼 (MoTe 2 ) 薄片以较小的相互“扭曲”角度堆叠起来。这种结构形成了电子的合成“蜂窝晶格”。当研究人员将堆叠的切片冷却到绝对零度以上几度时，系统中会产生内在磁性。固有磁性取代了分数量子霍尔态通常所需的强磁场。研究人员使用激光作为探针，检测到了 FQAH 效应的特征，这是释放任意子量子计算能力的重要一步。
该团队还包括香港大学、日本国家材料科学研究所、波士顿学院和麻省理工学院的科学家，他们将他们的系统设想为一个强大的平台，以加深对任意子的理解，任意子具有非常重要的意义，并且与电子等日常粒子不同的特性。任意子是准粒子——或者类似粒子的“激发态”——可以充当电子的一部分。在未来的实验系统工作中，研究人员希望发现这种类型的准粒子的更奇异的版本：“非阿贝尔”任意子，它可以用作拓扑量子位。将非阿贝尔任意子相互缠绕或“编织”在这种量子态中，信息本质上扩散在整个系统上并抵抗局部干扰，构成了拓扑量子比特的基础，也是当前的量子计算机能力上的一大进步。
“这种类型的拓扑量子比特将与现在可以创建的拓扑量子比特有根本上的不同，”华盛顿大学物理学博士生 Eric Anderson 说，他是《科学》论文的主要作者和《自然》论文的共同主要作者。 “非阿贝尔任意子的奇异行为将使它们作为量子计算平台更加强大。”
研究人员的实验设置中同时存在三个关键特性，使得 FQAH 态得以出现：
- 磁性：虽然 MoTe 不是磁性材料，但当它们给系统加载正电荷时，出现了“自发自旋序”——一种称为铁磁性的磁性形式。
- 拓扑：系统内的电荷具有“扭曲带”，类似于莫比乌斯带，这有助于使系统具有拓扑结构。
- 相互作用：实验系统内的电荷相互作用强烈，足以稳定 FQAH 态。
研究小组希望，利用他们的方法，发现非阿贝尔任意子。
“观察到的分数量子反常霍尔效应的特征令人鼓舞，”《自然》论文的共同第一作者、《科学》论文的共同作者、威斯康星大学物理学博士生Jiaqi Cai说。 “系统中富有成效的量子态可以成为发现二维新物理的芯片实验室，也可以成为量子应用的新设备。”
“我们的工作为长期以来寻求的 FQAH 态提供了明确的证据，”Xu说，他也是威斯康星大学分子工程与科学研究所、纳米工程系统研究所和清洁能源研究所的成员。 “我们目前正在研究电传输测量，这可以为零磁场下的分数激励提供直接且明确的证据。”
该团队相信，通过他们的方法，查找和控制这些不寻常的 FQAH 态可以变得司空见惯，从而加速量子计算之旅。
参考链接：https://www.nationaltribune.com.au/researchers-make-a-quantum-computing-leap-with-a-magnetic-twist/
