天然碲化鈾確認具備拓撲超導性量子計算迎新契機

據最新一期《科學》雜志報道，英國牛津大學和愛爾蘭科克大學等機構合作，開發出一種強大的新技術，首次實驗證實天然材料碲化鈾（UTe2）具備內在拓撲超導性。這為大規模、容錯型量子計算機的核心材料篩選提供了關鍵方法。

量子計算機的量子比特極易受到環境噪聲干擾，導致“量子退相干”，這限制了量子計算的穩定性和實用性。

拓撲超導體被認為是突破這一瓶頸的理想材料。其表面能承載一種名為“馬約拉納費米子”的全新量子粒子。理論上，這些粒子可被用于穩定地存儲量子信息，而不會受到當前量子計算機所面臨的噪聲和無序環境的干擾。幾十年來，物理學家一直在尋找一種真正的內在拓撲超導體，但從未發現任何一種材料能完全滿足所有條件。

UTe2自2019年發現以來，一直被認為是具有內在拓撲超導性的候選材料，但此前未有實驗能直接驗證這一點。

此次實驗中，研究團隊使用了掃描隧道顯微鏡（STM）。該儀器無需使用光或電子束，而是利用原子級尖銳的超導探針在原子尺度上獲取超高分辨率圖像，可排除普通表面電子的干擾。更關鍵的是，團隊使用了一種全新操作技術，即“安德列夫STM”。這是首個可專門探測拓撲超導表面態的實驗技術，目前全球僅三處實驗室可實現。

結果表明，UTe2確實是一種內在拓撲超導體，但其中的馬約拉納費米子以成對形式存在，無法單獨分離，因此尚不能滿足可操作量子比特的全部條件。

盡管如此，這項研究仍具有重大意義。這意味著，他們首次找到了一種方法，可一勞永逸地確定某種材料是否能有效用于某些量子計算微芯片。

今年早些時候，微軟發布了世界上第一個由拓撲核心驅動的量子處理單元馬約拉納1。但微軟表示，需要基于精心設計的傳統材料堆棧才能合成拓撲超導體。此次研究意味著，科學家現在可使用簡單的晶體材料來取代復雜且昂貴的人工電路，為下一代量子計算提供了更經濟高效的拓撲量子比特解決方案。