峰回路转：前微软团队实现简化版马约拉纳费米子

光子盒研究院出品

近日，来自QuTech和埃因霍温理工大学的研究人员、工程师创造了马约拉纳(Majoranas)粒子，并在可控的情况下测量了它们的特性。这些马约拉纳粒子是“poor man’s majoranas”，它们基于一个纳米线中的两个量子点，可以扩展到一个更大的量子点链——Kitaev链，具有更稳健的马约拉纳行为[1]。

在两个耦合的量子点（白色与黑色箭头）中的Kitaev链的艺术印象，其中较大的绿色箭头代表系统的马约拉纳部分，带有箭头的小白点代表电子及其自旋。

发现全新马约拉纳粒子

量子计算机是一项革命性的技术，它有可能比经典计算机更快地解决某些问题。

因为它们使用量子比特，可以同时代表0和1：这使得量子计算机可以同时进行多种计算。量子计算机和量子比特的实施在各个领域都有很大的潜力，包括药物发现、金融建模和密码学。马约拉纳粒子是实现量子比特的候选者之一。

不过，寻找马约拉纳费米子的工作一直都不简单。2012年，实验室首次发现了这种状态；2018年，荷兰微软实验室的研究人员声称他们有明确的马约拉纳费米子的实验证据，但后来撤回了他们的说法；现在，一个这项研究中一些研究员的团队发现了马约拉纳费米子的一个“表亲”——“Poor man’s Majorana”[2]。该团队预计，这一发现将重振该领域和对这些难以捉摸的状态的搜寻。

“当2018年发现马约拉纳费米子的实验被撤回时，马约拉纳领域出现了危机。”荷兰代尔夫特理工大学、这项新研究的第一作者Tom Dvir说：“我们希望我们的发现有助于调整这一领域的工作重点。”

马约拉纳费米子是一个假想的集体电子态，它的作用就像一个粒子，它是它自己的反粒子。理论家预测，马约拉纳费米子是拓扑保护的，这使得它们对来自环境的热或电扰动具有很强的稳定性。此次发现的Poor man’s Majorana也是它自己的反粒子，但它缺乏马约拉纳的拓扑保护。Dvir表示，这种差异意味着新发现的马约拉纳粒子只在非常小的参数范围内稳定。

Tom Dvir解释说：“马约拉纳粒子可以被制成一种量子比特，并因其独特的特性而获得关注。”与基于电子等单个粒子特性的传统量子比特不同，基于马约拉纳粒子的量子比特对某些类型的量子错误更有弹性(resilient)，这是开发可扩展量子计算机的一个主要挑战。

王冠中,代尔夫特理工大学博士

他的同事和共同第一作者王冠中补充说：“马约拉纳粒子的理想特性，以及其允许观察新的科学现象的奇异性质，激励了大量的研究工作，从学术界到工业界。迄今为止的研究主要方向是材料合成，目的是设计正确的材料特性，以便由它们制成的设备在冷却到低温时能够立即运行。”

此次，新的方法将重点转移到电控上，这意味着我们在低温下观察和调整设备，更利于马约拉纳现象的出现。

利用超导体、电门，成功实现观测

马约拉纳费米子的拓扑保护来自于该状态的本质：在纳米线中，马约拉纳状态被预测会被束缚在线的两端。这种局部性意味着，如果两个马约拉纳的位置被调换，这些状态不会相互影响，从而得以保留其原始编码。这一特性使得这些状态对量子比特来说非常有趣，因为可以对量子比特进行操作，而不会有噪音降低、改变它们所包含的信息。

然而，Poor man’s Majorana的行为有点像漏水的特百惠盒子：在包里放两个，它们的内容就会溢出和混合。Dvir说：“它们可以交换信息。”一些研究人员认为，实现这些“较差”的状态也是实现基于马约拉纳的量子计算目标的重要一步。Dvir说：“这个系统是不完美的，但我们可以用它做一个量子比特，然后学习这个量子比特的行为方式。”

Dvir和他的同事们在一个量子点装置中实现了他们的马约拉纳粒子，其中两个量子点通过一条涂有超导膜的半导体线连接。这个装置是Kitaev链的最短实现方式——自旋为零的一维费米子链；当有五个量子点或更长时，Kitaev链应容纳拓扑马约拉纳粒子。

当最小的Kitaev链中的电子在量子点之间移动时，它们是通过两种过程之一进行的：正常隧穿(normal tunneling)，即电子简单地从一个点跳到另一个点；或Andreev隧穿(Andreev tunneling)，即两个点的电子同时进入超导体。在那里，它们结合形成一个库珀对，然后被注入两个点，将它们连接起来。当正常隧穿率和Andreev隧穿率相匹配时，会出现马约拉纳态。

Dvir和他的同事证明，通过调整应用于他们设备中每个元件的电压，他们可以用电将设备从正常隧穿占主导地位的状态切换到Andreev隧穿占主导地位，再切换到两个过程具有同等速率的状态。在他们的实验中，他们检测到了所有这些状态的信号和那些为两个Poor man’s Majorana态所预测的信号。

Dvir团队为他们的量子点系统展示了三种制度：（左）正常隧穿占主导地位；（中）Andreev隧穿占主导地位；（右）正常隧穿和Andreev隧穿的速率相等，这是一个实验的“最恰当的位置”(sweet spot)，会出现Poor man’s Majorana态。

丹麦哥本哈根大学的Karsten Flensberg表示，之前关于连接量子点和调整系统的建议涉及多个磁场，这些磁场很难以马约拉纳实验所需的纳米级精度进行控制。“（研究人员）想出了一个巧妙的方法来调整两个量子点之间的正常隧道和安德烈夫隧道的比例。”通过使用超导体和电门，该团队解决了这个问题。

研究人员首先制作了两个相互靠近的量子点，由一条短的半导体/超导体纳米线隔开。这些量子点以两种方式相互通电连接:第一种是通过电子在两个点之间的跳动；第二种方式涉及同时进入和离开半导体/超导体纳米线的电子对[3]。

“这是马约拉纳研究中的一个突破。”麻省理工学院的实验师Jagadeesh Moodera也有同感，他正在积极寻找拓扑马约拉纳。他说，这个新平台“为马约拉纳物理学的研究开辟了一个新的领域”。马约拉纳研究“一直陷于一些争议之中，看到在（这个主题）上进行良好的基础科学研究令人耳目一新。”

开辟马约拉纳物理学的新领域

然而，该演示确实有一个限制。两个实现了poor man’s Majorana的波函数似乎略有重叠，这意味着它们并没有完全被限制在各自的量子点上。“这些状态是不完美的。”然而，Dvir指出，目前还不清楚这种不完美对于基于poor man’s Majorana的量子比特是否重要；他们正在与理论家合作以弄清这一点。事实上，是否受拓扑保护的马约拉纳（对量子计算）更好，这一点并不清楚。

对Dvir来说，这种poor man’s Majorana的实现是特殊的，还有一个原因：对于大多数物理实验来说，需要进行重大的分析和解释，以便从实验数据得到可以与理论模型的输出相比较的图。他说：“抽象的物理学完全按照预测的那样出现在实验室里是很罕见的。”

“目前，我们正在使用简化版的马约拉纳，只使用两个量子点。”Dvir解释说：“我们的最终目标是拥有更多的量子点，甚至可能到5个，这样电子的两半就能更广泛地分开。马约拉纳粒子分离得越远，产生的量子比特对噪声的保护就越好。”

“不过，向设备中添加更多量子点的难度预计会线性增加，而不是指数级增加。这是因为我们可以单独调整每个点，使我们能够更容易地实现理想配置。”

“展望未来，有两个主要目标。第一个目标是在这项工作中的马约拉纳的基础上创建一个完整的拓扑马约拉纳；第二个目标是使用这些马约拉纳来创建量子比特。这将需要系统的多个副本和进一步的调整。”

总之，虽然此次实现的这个简单系统可以扩展到模拟一个完整的Kitaev链，并有一个新的拓扑秩序，但它也可以立即用于探索与凝聚态中的非阿贝尔子任意子相关的物理学。从长远来看，这种方法可以在更长的链上产生拓扑保护的马约拉纳态[4]。

参考链接：

[1]https://qutech.nl/2023/02/15/new-approach-for-majorana-research-in-short-nanowires/?cn-reloaded=1

[2]https://physics.aps.org/articles/v16/24

[3]https://phys.org/news/2023-02-approach-majorana-short-nanowires.html

[4]https://arxiv.org/pdf/2206.08045.pdf

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