95后MIT博士曹原连发两篇Nature，石墨烯如何影响量子计算？

出品  光子盒研究院

众所周知，由于传统导体存在电阻，从发电站到用户端的传送过程中，总会产生很大的能量损耗。

1911年，荷兰物理学家昂内斯发现，当汞被冷却至接近绝对零度（-273℃）时，电子可以通行无阻，从而将能源损耗降到最低。这个“零电阻状态”被称为“超导电性”，这是人类第一次发现超导体的存在，昂内斯因此获得了诺贝尔奖。

此后，无数科学家前赴后继，希望研制出能在常温条件下实现“超导体”性能的材料，但均以失败告终。1998年诺贝尔奖物理学奖获得者罗伯特•劳夫林说，物理学家们已经在黑暗（即超导研究）中徘徊了30年。

直到2018年，来自中国的95后MIT博士曹原发现，双层石墨烯可以实现在高于绝对零度的温度下（1.7K）进入超导态。

就在2018年3月5日，Nature在一天之内连续发表了两篇石墨烯超导方面的论文，第一作者均为曹原。文章刊登后立即在整个物理学界引起巨大反响。一些报道称其“一举解决了困扰世界107年的难题”。

两年后，2020年5月7日，曹原再次在一天之内连发两篇Nature，介绍了“魔角石墨烯”研究的新突破。而不容忽视的是，“魔角石墨烯”对于超导量子计算机也有着非凡的意义。

神奇的“魔角石墨烯”

曹原因发现让石墨烯实现超导的方法，登上了Nature杂志2018年度科学人物的榜首，该杂志评价曹原是“石墨烯驾驭者”（Graphene Wrangler），开创了物理学一个全新的研究领域，有望大大提高能源利用效率与传输效率。

曹原

年少有为的曹原，1996年出生于四川成都，11岁进入深圳耀华实验学校，只用了三年时间完成了从小学六年级到高中的所有课程，2010年，14岁的曹原进入中国科大少年班。

大学期间，他交换去了美国密歇根大学与牛津大学。2014年，在导师推荐下，他前往美国麻省理工学院（MIT）进行深造，进入Pablo Jarillo-Herrero课题组。就这样，4年后，他成为了在Nature上发表论文最年轻的中国人。

在MIT，曹原的主要工作是研究“魔角石墨烯”，所谓“魔角”，是当两层平行石墨烯堆成约1.1°的微妙角度（魔角），就会产生神奇的超导效应，超导转变温度最高为1.7K。

魔角石墨烯

在十多年前，科学界首次发现石墨烯及其特殊的电子性质。这种由六角键合的碳原子组成的二维材料是目前存在的最强、最薄的材料，并且是极优秀的电导体。石墨烯的结构中碳原子以六元环方式排列，使电子能以极高的速度传播，并且不发生散射，相较于其他导体，大大节省了导电过程中被损耗的能量。

而双层石墨烯的特性更让人着迷。曹原只不过将其中一层轻轻地转动1.1°，石墨烯就性情大变：只需通过门电压调控载流子浓度，就成功实现了能带半满填充状态下的绝缘体；之后在1.7K的高温下，双层石墨烯又变成了超导材料。

如果双层石墨烯可以实现在高于绝对零度的温度下进入超导态，那么，对它的研究就有希望找出接近室温的超导体，这也是量子计算梦寐以求的事情。

此次发表的两篇论文虽然不是全新的发现，但其重要程度依旧不容小觑。

在第一篇Nature论文中，作者提出了基于小角度扭曲双层-双层石墨烯（TBBG）高度可调的相关系统，由两片旋转的Bernal堆叠双层石墨烯组成。该系统呈现丰富相图，具有可调谐相关绝缘体态，对扭转角和电位移场的应用都高度敏感。

作者通过实验，证明了在扭曲范德华异质结构中，实现可调与电子关联的实验研究的可能性。这种新颖的扭曲角的自由度和控制在其他二维系统中，也应该是通用的，也可能会表现出类似的相关物理行为，让调谐和控制的电子-电子相互作用的强度的技术成为可能。

论文：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2260-6

曹原为这篇论文的第一作者，并与导师Pablo Jarillo-Herrero共同为文章通讯作者。值得一提的是，通讯作者通常由教授等课题组长担任。曹原成为通讯作者，表明他是论文的主要创意贡献者之一。

在另一篇论文中，曹原与其他两名作者并列文章第一作者。该论文对扭曲角的分布信息做了进一步探讨，解释了Twisted angle disorder对量子霍尔效应（QHE）的影响。

魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）超导性能关键取决于中间层扭曲角（θ）的大小。作者使用纳米级针尖扫描超导量子干涉装置（SQUID-on-tip），获得处于量子霍尔态的朗道能级的断层图像，并绘制了局部θ变化图。

论文确立了θ紊乱作为一种非常规类型的紊乱的重要性，使扭曲角梯度能够用于“带结构”工程，实现相关现象和器件应用中的栅极可调内置平面电场。

论文：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2255-3

石墨烯与量子计算

早在2013年，Pablo Jarillo-Herrero（曹原博导）领导的MIT研究小组发现，在极强磁场和极低温度下，石墨烯能沿着自旋方向有效过滤电子——这是传统电子系统不可能做到的。

Jarillo-Herrero认为，石墨烯在极端条件下表现出的出乎人意料的特性，显示其具有用于量子计算的潜力。

Pablo Jarillo-Herrero

近年来，研究人员一直在努力建立一个能够产生稳定量子位的量子电容器，同时它也能抵抗常见的电磁干扰。这种电容器使用二维材料（例如石墨烯）更容易产生。

2018年，Jarillo-Herrero、曹原等人发现让石墨烯实现超导的方法，此后，全球科学家都迫切的希望自己能在实验室中，复制曹原创造的奇迹。2020年，Jarillo-Herrero教授获得有“诺奖风向标”之称的沃尔夫奖。

曹原的研究证明，“魔角石墨烯”可在1.7K的温度下实现超导态，这个已经超出前段时间新南威尔士大学和QuTech突破1K的温度。

物理学家认为，石墨烯的非常规超导具有巨大应用潜力，包括用于制造边界存在“马约拉纳费米子”的拓扑超导态等，这种态对环境的扰动表现出更强的稳定性，非常适合于制造量子计算机的量子比特。

2018年12月，Jarillo-Herrero教授与其他研究人员首次记录了石墨烯量子位元的“时间一致性”——即它能够维持一种特殊状态，使其能够同时代表两种逻辑状态的时间长度。该演示使用了一种新基于石墨烯的量子位，代表着实际量子计算向前迈出了关键一步。

这篇论文发表在2018年12月31日的Nature上，作者首次展示了由石墨烯和外来材料制成的相干量子位。这些材料使量子位能够通过电压改变状态，就像传统计算机芯片中的晶体管一样——与大多数其他类型的超导量子位不同。

超导量子位依赖于一种被称为“约瑟夫森结”的结构，绝缘体(通常是氧化物)夹在两种超导材料(通常是铝)之间。近年来一些研究小组已经用石墨烯取代了绝缘体。

为了实现约瑟夫森结，研究人员在范德华绝缘体(hBN)的两层之间夹了一块石墨烯。重要的是，石墨烯所接触的超导材料具有超导性。选择的范德华材料可以用电压来引导电子，而不是传统的基于电流的磁场。因此，石墨烯也可以，整个量子位也可以。

当电压作用于量子位时，电子在石墨烯连接的两个超导引线之间来回弹跳，将量子位从基态(0)改变为激发态或叠加态(1)，底层的hBN层作为承载石墨烯的基底。顶部的hBN层封装了石墨烯，保护其不受任何污染。由于材料是如此原始，行进中的电子从不与缺陷相互作用。

这代表了理想的量子位元“弹道传输”，大多数电子从一个超导传导到另一个超导，而不会与杂质发生散射，从而使状态发生快速、精确的变化。

论文：

https://www.nature.com/articles/s41565-018-0329-2

石墨烯是一种神奇的材料，甚至在在一个器件中同时充当超导体、绝缘体和铁磁体。伯克利实验室的科学家们利用石墨烯隐藏的才能，将其作为一种可电调谐的超导体、绝缘体和磁性装置，以促进量子信息科学的发展。

这篇论文发表在2020年3月4日的Nature上，他们的测量结果揭示了一组惊人的新特性:石墨烯系统内部不仅具有磁性，而且具有绝缘性;尽管有磁性，但它的外边缘却变成了没有阻力的电流通道。这种特性是一种被称为Chern绝缘体的罕见绝缘体的特征。

科学家们一直在研究一种被称为拓扑的领域，以寻找Chern绝缘体。Chern绝缘体为在量子计算机中操作信息提供了潜在的新方法，在量子计算机中，数据存储在量子位上。量子位可以表示1、0，也可以表示同时为1和0的状态。

这篇文章表明，石墨烯是研究不同物理的理想平台，从单粒子物理到超导性，从现在的拓扑物理到研究二维材料中物质的量子相。

论文：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2049-7

2019年11月，Jarillo-Herrero在“未来科学大奖科学峰会”上进行了名为“Magic Angle Graphene: the twist and shout of quantum materials”（魔角石墨烯：量子材料的扭曲与呐喊）的演讲，他指出组成物质的粒子间有强烈的相互作用，电子在晶格中的跳跃被认为是导致高温超导体产生的原因，其可应用于人类生活的各个领域。

在未来，石墨烯可应用于超导量子计算，进一步拓展量子计算机学，但更先进的研究还需要更多的研究人员在基础科学上下功夫。

-End-

1930年秋，第六届索尔维会议在布鲁塞尔召开。早有准备的爱因斯坦在会上向玻尔提出了他的著名的思想实验——“光子盒”，公众号名称正源于此。