物理學家發現量子超導體行爲，控制新突破

一項新的研究揭示了電流通過量子超導體時的重要行爲，這或許能推動諸如量子計算之類的未來技術的發展。

在一篇被《物理評論快報》接收並準備發表的論文中，該研究聚焦於弗洛凱馬約拉納費米子及其在一種被稱爲約瑟夫森效應的現象中的作用，這可能使量子驅動的計算機系統得到更精確的控制。

這項研究由印第安納大學布盧明頓分校藝術與科學學院的物理學教授巴巴克·塞拉傑（Babak Seradjeh）與印度坎普爾理工學院的理論物理學家雷卡·庫馬裡（Rekha Kumari）和阿里吉特·昆杜（Arijit Kundu）共同撰寫。它在arXiv預印本服務器上能夠獲取。

巴巴克教授及其同事解決了當下量子計算機的一個核心問題——不穩定性。

其中被稱爲量子位的量子比特由於受到諸如溫度波動或電磁噪聲等環境因素的干擾，而失去了其微妙的量子態。

量子計算機經常需要使用超導體，超導體由能夠零電阻導電的材料製成——這意味着它們可以傳輸電流而不損失任何能量。然而，當今的超導體只在極低的溫度下工作——接近絕對零度。

這使得量子計算機要保持低溫從而維持穩定，能耗極高，因爲當量子位沒有保持足夠低溫時，它們會變得更加不穩定，這意味着錯誤發生得更快更頻繁。

科學界對於“室溫超導體”的探索，常被稱作超導領域的聖盃，因爲冷卻過程成本高昂且複雜。如果科學家能夠開發出在室溫（約 20 - 25°C 或 68 - 77°F）下表現出超導性的材料，這或許會徹底改變我們所熟知的技術，帶來無損電力傳輸、指數級更快且更節能的電子產品、用於像 MRI 機器等應用的強大磁體以及先進的能量存儲系統。

研究人員研究的核心在於馬約拉納費米子，它是一種行爲獨特的亞原子粒子；與大多數粒子不同，馬約拉納費米子是它們自己的反粒子。（對於宇宙中的每種類型的粒子——如電子和質子——都存在具有相反性質的相應反粒子，粒子和反粒子之間的這種對稱性是宇宙結構的基本構成部分。）

研究人員認爲馬約拉納費米子存在於某些材料中，如拓撲超導體。這些與常規超導體的不同之處在於，拓撲超導體在其表面或邊緣具有獨特、穩定的量子態，這些量子態受到材料底層拓撲結構——其在量子水平上的結構形成方式——的保護。

這些表面狀態使它們能夠抵抗干擾，這就是它們在開發更穩定的量子計算機方面具有潛力的原因。這些特殊的邊緣狀態還可以容納像馬約拉納費米子這樣的奇異粒子，而這些粒子在常規超導體中並不存在。

研究人員在特定背景下探索了馬約拉納費米子：週期性驅動的超導體，意思是它們會接觸到以重複模式循環開啓和關閉的外部能源。這種週期性驅動改變了馬約拉納費米子的行爲，將它們轉化爲弗洛凱馬約拉納費米子（FMFs）。

弗洛凱馬約拉納費米子可以存在於不同的狀態，根據它們與循環能源的相互作用而變化。這些 FMFs 以獨特的方式影響電流，導致科學家稱之爲約瑟夫森效應——一種量子現象，即電流可以在兩個超導體之間流動，無需施加電壓，也就是推動兩點之間電流的壓力。超導體的這種週期性驅動是維持 FMFs 及其所產生的異常模式的關鍵。

在大多數系統中，兩個超導體之間的電流會定期重複出現。然而，對於 FMFs，在一些先進的超導體中會出現一種特殊類型的電行爲，其中電流以正常速率的一半振盪，形成一種獨特的、較慢的模式，使系統更加穩定。

這種穩定性極爲重要，因爲它有助於提高量子計算機的性能和可靠性，量子計算機依靠精確、穩定的量子態來處理信息。換句話說，這種較慢的振盪能讓量子設備效率更高，也更不容易受到干擾，這是當今量子計算中的一個重大挑戰。

巴巴克及其同事的研究所揭示的關鍵發現之一爲，約瑟夫森電流的強度——電流的大小——可以使用超導體的化學勢進行調節。

簡單來講，化學勢就如同一個能調節材料特性的錶盤，研究人員發現，它能夠通過與驅動系統的外部能源的頻率同步來進行修改。

這爲科學家控制量子材料提供了新的水平，併爲量子信息處理中的應用開闢了可能性，在量子信息處理中，精確操縱量子態至關重要。對量子計算的影響十分巨大，因爲該技術依賴於以穩定和可預測的方式操縱量子態。

弗洛凱馬約拉納費米子具有可通過外部驅動加以控制的獨特性質，這一發現或許能爲構建不僅運算速度更快，而且抗錯能力更強的量子計算機鋪平道路。

馬約拉納費米子讓研究人員尤爲興奮，因爲預計其能夠支持容錯量子計算，也就是說，在信息的存儲和處理過程中，不會因噪聲或其他干擾而丟失。

雖然這項研究屬於理論層面，但研究團隊藉助計算機模擬證實了他們的成果，這些發現給全球的研究人員提供了探索量子系統中全新的、可控制的性質的路線圖。