物理学家已经开发出一种突破性的超导材料，该材料可能会改变量子计算组件的可扩展性和可靠性。

通过将三角碲与金薄膜结合，他们创造出了一种具有增强自旋极化的二维界面超导体，有望用于制造稳定的自旋量子比特。该材料在磁场下的转变表明，它可以作为三重态超导体使用，有望为量子计算提供更强大的组件。此外，这种新型超导体技术自然抑制了量子计算中的一个重大挑战——退相干源，它使用非磁性材料制造更清洁的界面。

量子计算中的创新超导体突破

一个由美国多家机构科学家组成的团队开发了一种新的超导材料，该材料可能用于量子计算，并且是“拓扑超导体”的候选材料。该团队由加州大学河滨分校的物理学家彭伟领导。

拓扑学是研究形状的数学。拓扑超导体利用电子或空穴（空穴表现为带有正电荷的电子）的非局域态以稳健的方式携带量子信息并处理数据。

手性材料和界面超导性

研究人员今天（8月23日）在《科学进展》杂志上报告称，他们将三角碲与在薄金膜表面产生的表面态超导体结合在一起。三角碲是一种手性材料，这意味着它不能与其镜像叠加，就像我们的左右手一样。三角碲也是非磁性的。然而，研究人员在界面处观察到了具有明确自旋极化的量子态。自旋极化使得激发态有可能用于创建自旋量子比特（或量子比特）。

自旋极化和量子比特潜力

物理和天文学副教授魏说：“通过在手性材料和金之间创建一个非常干净的界面，我们开发了一种二维界面超导体。”“界面超导体是独一无二的，因为它存在于一个环境中，该环境中自旋的能量比传统超导体中的能量高出六倍。”

研究人员观察到，界面超导体在磁场下发生转变，并且与高场相比，在低场下更加稳定，这表明转变为“三重态超导体”，在磁场下更加稳定。

抑制量子计算中的退相干

此外，通过与国家标准与技术研究院（NIST）的科学家合作，研究人员表明，这种涉及异质结构金和铌薄膜的超导体自然地抑制了来自材料缺陷（如氧化铌）的退相干源，氧化铌是铌超导体的常见挑战。他们表明，这种超导体可以被制成高质量低损耗的微波谐振器，其品质因数可达100万。

对量子计算技术的影响

据跨国科技公司IBM称，新技术在量子计算领域得到了应用，该领域利用量子力学来解决经典计算机或超级计算机无法解决或无法快速解决的复杂问题。

魏（Wei）表示：“我们使用的材料比量子计算行业中常用的材料薄一个数量级，从而实现了这一点。”“低损耗微波谐振器是量子计算的关键组件，可能导致低损耗超导量子比特。量子计算中最大的挑战是在量子比特系统中减少退相干或量子信息损失。”

当量子系统与其环境相互作用时，会发生退相干，导致系统的信息与环境混合。退相干为量子计算机的实现带来了挑战。

与以往需要磁性材料的方法不同，研究人员的新方法使用非磁性材料来创建更清洁的界面。

可扩展量子组件的光明未来

魏（Wei）说：“我们的材料可能是开发更多可扩展和可靠的量子计算组件的有前途的候选材料。”

参考文献：“超导-手性材料异质结构中的自旋活性界面和局部增强的Zeeman场特征”，2024年8月23日，发表于《科学进展》。DOI: 10.1126/sciadv.ado4875。

加州大学河滨分校的魏教授与他的研究生们一同进行了这项研究。

加州大学河滨分校（UCR）对该研究项目的贡献由魏的美国国家科学基金会（NSF）职业奖（CAREER award）、加州大学河滨分校和麻省理工学院（MIT）共享的NSF融合加速器C轨道资助（NSF Convergence Accelerator Track-C grant）以及加州大学河滨分校和麻省理工学院共享的林肯实验室资助（Lincoln Lab Line fund）资助。

该技术已向加州大学河滨分校技术合作办公室披露，并已申请临时专利。