只知道量子计算？升级版“拓扑量子计算”你了解多少？

近日，中国科学家在铁基超导材料锂铁砷（LiFeAs）中观测到大面积、高度有序、可调控的马约拉纳准粒子格点阵列，向拓扑量子计算的实现迈出了重要一步。

人类对于大规模信息处理需求的剧增，使得量子计算被赋予了极高的期待，“量子计算”四个字也几乎家喻户晓。

但是，很多人不知道，量子计算一直有个让人头疼的问题，即噪声等外界环境的扰动会对量子系统造成影响，使计算过程不可避免地产生并积累错误。正因如此，科学家们有了一个新的理想——研制“拓扑量子计算”。

今天我们来研究一下：

什么是“拓扑量子计算”？

此次发现有何重要意义？

下一步的计划是什么？

量子计算

中科院物理所副研究员李更表示：“拓扑量子计算是一种容错率更高的量子计算”。

要实现拓扑量子计算，不仅要求微观世界的粒子符合一种名为“非阿贝尔统计”的规律，还需要科学家有能力把微观世界里的粒子像编麻花辫一样编织起来。

对物理学家而言，万物都可能拆分的：一杯水，可以拆分为很多水滴；一个水滴，可以拆分为很多水分子；一个水分子，可以拆分为两个氢原子和一个氧原子；一个原子，可以进一步拆分为电子、夸克等微观粒子。拆分到最后，物理学家们发现所谓的“万物”，其实都是由60多种基本粒子构成的。

这些基本粒子按照统计规律的不同可以划分为玻色子和费米子两大类，例如人们所熟知的光子属于玻色子，电子属于费米子。对于费米子而言，大多数费米子的反粒子与它本身不同，例如电子的反粒子是正电子，带有一个单位的正电荷。这类费米子被称为“狄拉克费米子”，以物理学家保罗·狄拉克命名。

宇宙中还有另一种神奇的基本粒子，它的反粒子是它本身。这种基本粒子叫做“马约拉纳费米子”，是由物理学家埃托雷·马约拉纳在1937年理论预言的。然而在其预言后的80多年时间里，粒子物理学家们始终未能在广袤宇宙中找到该粒子存在的确切证据。

在物理学的另一大分支——凝聚态物理领域，理论学家预言，在固体材料中可能会出现与马约拉纳费米子类似的粒子，这种粒子被称为马约拉纳准粒子，或是马约拉纳零能模。

中科院物理所副研究员李更解释：“马约拉纳零能模的统计规律既不像玻色子，也不像费米子，而是表现为一种独特的非阿贝尔统计规律。这种准粒子的编织操作被认为是实现容错拓扑量子计算的重要途径。”

攻克难关

前文提到过，量子计算的主要挑战在于量子态很容易受环境的干扰，产生退相干现象，使得计算过程中会不断地产生错误，影响计算结果的准确性。而由马约拉纳零能模组成的非局域拓扑量子比特，可以从原理上解决量子退相干问题，引起了研究人员的广泛关注。

在早期观测马约拉纳准粒子载体材料中，比较有代表性的材料体系包括常规超导体近邻下的半导体纳米线、常规超导体表面的磁性原子链，以及超导体—拓扑绝缘体界面等。这些材料往往存在制备困难、对极低温的要求较苛刻等问题。

2018年，中科院物理所高鸿钧研究团队与丁洪研究团队合作，利用其自主设计组装的国际顶尖水平的极低温强磁场扫描隧道显微镜/谱联合系统，精确测量了铁基超导体铁碲硒单晶样品的超导涡旋，首次在铁基超导体中观测到马约拉纳零能模。

随后几年里，研究团队对铁基超导体中的马约拉纳零能模做了一系列进一步研究，澄清了马约拉纳零能模的拓扑本质；观测到了马约拉纳零能模的近量子化电导平台特征，给出了铁基超导体中存在马约拉纳零能模的关键性实验证据；在铁磷基超导体上观测到了马约拉纳零能模，极大地扩展了马约拉纳零能模载体平台。

然而，这些铁基超导材料体系还是存在着材料组分不均一、磁通涡旋阵列无序且不可控以及马约拉纳零能模占比低等问题，阻碍了其进一步的研究和应用。

近几年，高鸿钧研究团队对铁基超导体锂铁砷进行了细致而深入的研究。功夫不负有心人！利用多年积累的强大的扫描隧道显微镜研究平台和丰富的研究经验，研究人员通过实验发现，应力可以诱导出大面积、高度有序和可调控的马约拉纳零能模阵列。

重要意义

高鸿钧说：“我们这项研究重要意义在于首次实现了大面积、高度有序和可调控的马约拉纳零能模阵列，并观测到了调控引起的马约拉纳零能模相互作用，为下一步实现马约拉纳零能模的编织以及拓扑量子计算奠定了坚实的基础。”

谈及下一步的研究计划，高鸿钧表示，希望能进一步实现马约拉纳零能模的编织，“如果能实现的话，这应该是一个世界级的突破。但即使编织实现，离真正实现拓扑量子计算机还有很远的路要走。”