科学家实现第一个基于拓扑绝缘体的混合量子比特
光子盒研究院出品
拓扑量子比特凭借其优异的性质，有助于在开发为通用应用设计的量子计算机方面取得突破。到目前为止，还没有人成功地在实验室中明确证明了这种量子比特。然而，来自德国于利希研究中心(Forschungszentrum Jülich)的科学家现在已经在某种程度上实现了这一点。他们首次成功地将拓扑绝缘体集成到传统超导量子比特中。就在4月14日“世界量子日”到来之际，他们的新型混合量子比特登上了最新一期《纳米快报(Nano Letters)》[1]的封面。
《纳米快报》封面
量子计算机被认为是未来的计算机。利用量子效应，它们有望为传统计算机无法在现实时间范围内处理的高度复杂的问题提供解决方案。
然而，这种计算机的广泛使用还有很长的路要走。目前的量子计算机通常只包含少量的量子比特。主要问题是它们很容易出错。系统越大，就越难将其与环境完全隔离。
因此，许多希望寄托在一种新型的量子比特上——拓扑量子比特。几个研究团队以及微软等公司正在采用这种方法。这种类型的量子比特具有拓扑保护的特殊特征；超导体的特殊几何结构以及它们特殊的电子材料特性确保了量子信息得以保留。因此，拓扑量子比特被认为是极具鲁棒性的，并且在很大程度上不受外部退相干源的影响。它们似乎还能够实现与谷歌和IBM在当前量子处理器中使用的传统超导量子比特相当的快速切换时间。
然而，目前还不清楚我们能否成功地制造拓扑量子比特。这是因为仍然缺乏合适的材料基础来实验性地生成这一过程所需的特殊准粒子。这些准粒子也被称为马约拉纳态(Majorana state)。到目前为止，它们只能在理论上得到明确的证明，而不能在实验中得到证明。
由于利希研究中心PGI-9研究所的Peter Schüffelgen博士领导的研究团队首次构建的混合量子比特，正在这一领域开辟新的可能性。它们已经在关键点包含了拓扑材料。因此，这种新型的混合量子比特为研究人员提供了一个新的实验平台，以测试高灵敏度量子电路中拓扑材料的行为。
于利希研究中心的混合量子比特芯片
在论文中，研究人员使用超高真空制造技术，用
研究人员利用腔-量子比特相互作用证明了基于TI的transmon的约瑟夫森能量随其JJ尺寸的变化而变化，并证明了量子比特控制和时间量子相干性。他们的结果为新型约瑟夫森量子比特和拓扑量子比特中拓扑材料的进一步研究铺平了道路。
拓扑绝缘体与超导量子比特的集成
参考链接：
[1]https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c04055
[2]https://phys.org/news/2022-04-hybrid-quantum-bit-based-topological.html