科学家通过调整简单的化学配比，发现了一种控制奇异量子态的新方法，该方法或可成为下一代量子计算机的基石。

即便是超级计算机，在面对那些不遵循日常规律的自然难题时，也会陷入困境。预测复杂分子的行为模式，或是检验现代加密技术的强度，这些任务所需的计算量增长迅猛，以至于传统硬件根本无法企及。量子计算机正是为应对此类复杂问题而设计，但前提是工程师们能够打造出运行错误率极低的系统。

实现这种可靠性的最具前景途径之一，涉及一类名为拓扑超导体的稀有材料。简而言之，这类超导体具备内在的“受保护”量子特性，研究人员希望借此特性为脆弱的量子信息构筑起抵御噪声干扰的屏障。然而，制备具备这些特性的材料向来以难度极高而著称。

芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago PME）与西弗吉尼亚大学的一个研究团队报告了一种更简便的方法，可将这些奇异特性引入现实材料中。他们并未依赖复杂的制造技巧，而是表明化学上的微小改变即可重塑大量电子间的相互作用方式，进而决定材料是进入普通状态，还是呈现出更为奇特的性质。

他们的方法聚焦于培育超薄膜层，并精心调控碲与硒之间的平衡。事实证明，这一成分上的简单调整，便足以推动材料历经多个量子相态，其中包括备受瞩目的拓扑超导态。

研究结果发表于《自然·通讯》期刊，揭示了电子关联作用是关键影响因素。所谓关联作用，是指电子间相互影响的强弱程度；在量子材料中，这种集体行为可决定材料呈现何种物相。在该体系中，碲与硒的比例如同一个实用的调节旋钮，通过上调或下调电子间的关联作用，直至出现所需的物相状态。

芝加哥大学分子工程学院研究生、该新研究的第一作者林浩然（Haoran Lin）表示：“我们可以像调节刻度盘一样调节这种关联效应。若关联作用过强，电子便会静止不动；若过弱，材料则会丧失其特有的拓扑性质。然而，只要调节到恰到好处的程度，就能得到拓扑超导体。”

“这为量子材料研究开辟了新方向，”分子工程学助理教授、该新成果的资深作者杨树龙（音译）表示，“我们已研发出一种强大工具，可用于设计下一代量子计算机所需的材料。”

双重转型的故事

碲化铁硒化物是一种相对较晚才被发现的新材料，以其兼具超导性与独特的拓扑特性而闻名。

西弗吉尼亚大学物理学助理教授、新论文作者之一苏巴希什·曼达尔表示：“这是一种独特的材料，因为它汇聚了拓扑超导体平台所需的所有关键要素：超导性本身、强自旋轨道耦合以及显著的电子关联性。这种组合使其成为探索不同量子效应如何相互作用与竞争的理想体系。”

过去，研究人员曾培育出该材料的大块晶体，并观测到了不同寻常的量子态，但大块晶体难以操作，且其成分可能因位置不同而有所差异。

工程量子器件

拓扑超导体有望成为构建未来量子器件的理想之选——其拓扑态具有内在稳定性，且能抵御影响大多数量子材料的噪声干扰。

与其他拓扑超导体候选材料相比，杨团队所研究的硒化铁碲薄膜为这些应用带来了诸多优势。相较于某些竞争平台，该薄膜能在更高温度下工作——最高可达13开尔文，而铝基系统仅约1开尔文，因此使用标准液氦即可更轻松地实现冷却。此外，薄膜形态相较于块状晶体更易于操控，且可直接用于器件制造。

林解释道：“若你试图将这种材料应用于实际，就必须能够将其培育成薄膜状，而非试图从一块成分可能并不均匀的岩石上剥离出层状物。”

多个研究团队已与杨的团队展开合作，共同对薄膜进行图案化处理并制造量子器件。科学家们还持续对薄膜型铁硫硒化物的其他特性展开研究。