重大成果！中科院团队向拓扑量子计算机迈出了坚实一步

在晶体材料体系中寻找并调控马约拉纳零能模是实现拓扑量子计算的关键步骤，也是凝聚态物理前沿研究方向之一。

马约拉纳零能模是凝聚态物理中的一类拓扑非平庸准粒子激发，且服从非阿贝尔统计规律，被认为是构筑拓扑量子比特的基本单元。近年来，在拓扑非平庸的铁基超导体中寻找马约拉纳零能模已经取得了长足的进展。与其他体系（如超导-半导体纳米线、磁性原子链、拓扑绝缘体/超导异质结等）相比，铁基超导体具有单一组分、高温超导、本征拓扑等性质，避免了复杂的材料结构设计和极低温的观测条件等问题，是研究马约拉纳零能模的理想载体。

2022年6月8日，发表在《自然》杂志上的最新研究——《Ordered and tunable Majorana-zero-mode lattice in naturally strained LiFeAs》[1]表明，中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家研究中心的高鸿钧研究团队创造了一种大面积、高度有序和可调控的马约拉纳零能模格点阵列。这项研究可能为更可靠和容错的量子计算机铺平道路，从而促进医学、化学、材料科学和其他领域的发现。

1937年，意大利著名物理学家埃托雷·马约拉纳假设一种它的反粒子是它本身的粒子，这就是马约拉纳费米子。通常，当一个粒子与其反粒子碰撞时，它们会相互破坏并释放出大量能量，但马约拉纳费米子是个例外。

然而，在过去的80多年中，科学家尚未在宇宙中发现马约拉纳粒子。但凝聚态物理学的研究人员发现，马约拉纳费米子可以通过人工方式以马约拉纳零能模的形式在超导体中实现。

中国科学院副院长高鸿钧表示，马约拉纳零能模是凝聚态物理中一个令人兴奋且发展迅速的领域，因为它有可能彻底改变量子计算。例如，量子计算机最大的工程挑战之一是退相干：外部扰动会干扰量子比特的脆弱量子态，导致错误的产生、积累。

中科院物理研究所所长方忠表示[2]，目前解决量子退相干的方法是使用大量的量子比特作为缓冲，对那些进行计算的量子比特进行校准。但众所周知，操纵大量量子比特非常困难，这严重限制了量子计算机的实用性和可扩展性。

他说：“马约拉纳零能模的一个有趣的部分是：由于拓扑保护的特性，与使用其他方法创建的量子比特相比，它们具有内在的退相干弹性，并且具有显著更低的错误率。因此，如果科学家能够使用马约拉纳零能模创建逻辑量子比特，理论上他们可以制造出更高效、更实用的容错拓扑量子计算机。”

微软的Azure Quantum计划构建这种量子机器的原型。然而许多专家指出，这一过程仍处于早期理论阶段，这一努力也被认为是“高风险、高回报”。

中科院前沿科学与教育局局长苏刚几年前就表示，仅仅创建一个单一的马约拉纳零能模就需要付出巨大的努力。现在，科学家可以把它排成一行，从而研究这些难以捉摸的物理现象之间的相互作用。

高鸿钧教授表示，这项研究是一个里程碑，并为拓扑量子计算机的发展迈出了坚实的第一步。“这项研究的意义在于，我们首次实现了大面积、高度有序和可调控的马约拉纳零能模格点阵列，这为拓扑量子计算机奠定了坚实的基础。”

研究团队对铁基超导体LiFeAs进行了更加细致而深入的研究[3]。他们实验发现，应力可以诱导出的大面积、高度有序和可调控的马约拉纳零能模格点阵列。具体来说，团队的主要发现有以下几点：

1）晶体中的自然应力可诱导产生双轴电荷密度波（Biaxial CDW）条纹，沿着Fe-Fe和As-As晶格方向，其波长分别为λ₁~2.7nm和λ₂~24.3nm。

LiFeAs双轴CDW区域的表征。

2）波长为λ₂的CDW对超导能隙具有明显的调制作用,当施加垂直于样品表面的磁场后，形成的磁通涡旋全部被钉扎在超导序较弱的As-As方向电荷密度波条纹上，形成有序的涡旋阵列。

磁通涡旋中的马约拉纳零能模。

3）双轴电荷密度波的存在使得晶体对称性降低，从而改变了费米能级附近的拓扑能带结构，使得超过90%的磁通涡旋中心具有马约拉纳零能模，形成高度有序的马约拉纳零能模阵列。

马约拉纳零能模产生机理。

用磁场调控大面积有序的马约拉纳零能模格点阵列。

4）这种有序的马约拉纳零能模阵列可被外磁场调控，随着磁场增加，涡旋间距减小，马约拉纳零能模间的相互作用开始凸显。

该工作与美国波士顿学院的Ziqiang Wang教授和物理所靳常青研究员等进行了合作。物理所靳常青和望贤成提供了LiFeAs单晶，博士研究生李萌、副研究员李更和博士曹路为论文共同第一作者，高鸿钧和Ziqiang Wang为共同通讯作者。该工作得到科技部、国家自然科学基金和中国科学院的支持。

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-022-04744-8

[2]http://www.ecns.cn/news/sci-tech/2022-06-09/detail-ihazcpzs6461890.shtml

[3]http://www.iop.cas.cn/xwzx/kydt/202206/t20220608_6458801.html

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