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拓扑量子计算的各种平台及最新进展
The following article is from 返朴 Author 刘东、刘鑫
撰文 | 刘东(清华大学)、刘鑫(华中科技大学)
编辑 | 张富春、张龙(中国科学院大学)
超导/半导体纳米线
图1:超导/半导体纳米线为国际上实现拓扑量子计算的主要方案,其瓶颈是其对纳米线质量的极高要求。中科院半导体所赵建华课题组最近取得重要进展,已生长出质量为目前国际上最好的纳米线,有望突破瓶颈。图为利用分子束低温原位外延制备的InAs/Al纳米线的微结构。(a):纳米线低倍透射电子显微镜图;(b,c):不同晶带轴纳米线的高分辨透射电子显微镜图,显示异质结界面已经达到原子级平整。
在拓扑量子器件的制备和输运测量方面,中科院物理所沈洁和代尔夫特理工大学(TU Delft)的Kouwenhoven等在量子器件——“马约拉纳岛”中绘制出完整的电子奇偶性(宇称)相图,并给出了库伦振荡幅值和峰值关联的明确信息,为未来构筑拓扑量子比特提供了调控基础。
清华大学刘东课题组理论上提出了一种实验探测手段,利用耗散电极引入的电子和环境玻色子的相互作用重整化效应,使得马约拉纳输运信号和其它平凡输运信号产生完全不同的标度行为和温度电压依赖关系,从而有望解决纳米线体系中的“马约拉纳态-安德烈夫态”的竞争与争论。这些重要进展代表国内在纳米线拓扑量子计算研究领域已经接近世界一流水平。
拓扑超导涡旋态
近来,贾金锋课题组将马约拉纳涡旋态研究扩展到了超导/拓扑晶体绝缘体系统,并在本次会议上展示了利用分子束外延生长的Pb/SnTe异质结体系,进而观测到了奇异的超导涡旋态。理论预言该体系的超导涡旋中会存在4重马约拉纳零能模,是研究多个马约拉纳零能模相互作用的理想平台。同时,他们提出了用电场来驱动拓扑超导中的涡旋以实现马约拉纳涡旋态编织的方案。
清华大学王亚愚研究组实现了对基于Bi2Te3拓扑绝缘体薄膜的约瑟夫森结的微纳器件制备和原位栅极电压调控,并在新型本征反铁磁拓扑绝缘体MnBi2Te44中实现了轴子绝缘态及其与陈绝缘体态之间的量子相变。这些进展为构建基于量子反常霍尔效应的手性马约拉纳费米子态奠定了技术基础,并提供了新的材料体系。
中科院物理所丁洪课题组和高鸿钧课题组合作,国际上最先在外加磁场的铁基超导体Fe(Te,Se)中观测到马约拉纳零能模的实验信号,并对此进行了系统探索。他们的研究,以及中国科学技术大学/复旦大学封东来课题组、南京大学闻海虎课题组的研究,共同引领了此系统在国际上的研究进展。值得指出的是,铁基超导的拓扑性质在理论上是由中科院物理所胡江平,以及方忠、戴希等提出的。
本次会议上丁洪介绍了他们在铁马平台上实现马约拉纳涡旋态宏观调控的最新实验进展,为未来实验观测非阿贝尔统计提供了新机遇。华中科技大学刘鑫课题组、国科大卡弗里所张富春课题组和清华大学刘东课题组合作提出编织马约拉纳涡旋态的理论方案,阐述了铁基超导纳米线系统和全包围超导/拓扑绝缘体纳米线系统具有在大范围参数空间的拓扑简并基态、量子态可有效操控和量子信息易于读取的性质,是探测非阿贝尔统计的理想候选平台,并给出了通过马约拉纳涡旋态实现拓扑量子计算的路线图。这些重要进展表明我国在基于马约拉纳涡旋态的拓扑量子计算研究领域继续保持国际领跑地位。
拓扑材料单层、界面与异质结体系
在上述拓扑超导体系之外,近期的理论与实验研究也将潜在的拓扑超导材料拓展到其它单层、界面和异质结体系。中科大张振宇课题组理论研究了几何相位与电子关联的协同对体系拓扑性和超导性的影响,并结合第一性原理计算,预言单原子层Pb3Bi合金是一种新型二维本征拓扑超导体系;中科大秦胜勇课题组实验上成功制备出元素配比可调的Pb1-xBix超导薄膜,其临界磁场随着铋含量的增加而增加,而超导转变温度呈现非线性变化。张振宇、崔萍课题组预言在STO衬底上的钴基材料CoX(X=As、Sb、Bi)是一类拓扑非平庸的高温超导体;中国科大曾长淦、秦胜勇课题组实验上已成功制备出CoSb和CoBi薄膜,其中CoSb的超导转变温度(约44K)超过麦克米兰极限,并在CoBi中观察到库伦阻塞和库伦能隙。
异质结方面,中科大封东来、复旦大学张童课题组成功生长出磁性-超导异质结MnTe/Bi2Te3/Fe(Se,Te),并在零场下观察到零偏压电导峰和能隙内的束缚态。该异质结存在强DM相互作用因而可产生非共线磁结构,可能是这些束缚态的来源。这些围绕(准)二维拓扑超导体的探索与重要进展将为马约拉纳零能模的探测与编织提供可能的更优平台。
二维电子气的拓扑量子计算
在二维拓扑绝缘体边缘态和超导体界面实现马约拉纳零能模,是构筑拓扑量子计算平台的重要方案。其特殊优势在于,拓扑保护的本征一维通道将保证单对马约拉纳零能模的存在,以及相对容易利用半导体平面工艺扩展。实行该方案的主要挑战之一是制备高纯度的InAs/GaSb半导体材料并实现边缘态/超导体约瑟夫森结。北京大学杜瑞瑞课题组在该方向发表了一系列国际领先的工作。他们观察到InAs/GaAs的边缘态及其一系列的重要性质。近年来他们设计并生长了具有近室温能隙的InAs/GaInSb拓扑绝缘体,集中于深入研究材料的优化和异质结。最近该课题组已经实现高度透明的单晶铝/边缘态原位分子束外延生长,下阶段将进行直流或微波条件下的分数约瑟夫森效应实验。
在高质量二维电子体系中实现的分数量子霍尔效应中的准粒子具有任意子统计,其中偶数分母的分数量子霍尔态的准粒子可能具有非阿贝尔统计,可以作为拓扑保护的量子比特,是拓扑量子计算方案的另一重要候选材料。北京大学林熙课题组在局限的GaAs单层二维电子气中观测到了一系列平整度在万分之二以内的平台,并且在实验误差范围内确认平台是量子化的,分别对应3/2、10/7、16/13等非常规的分数量子化。南京大学王雷课题组在实验上制备出极高质量的石墨烯二维电子器件。在双层石墨烯上观测到了以偶数为分母的,包括-5/2、-3/2、-1/2、3/2、5/2和7/2等一系列分数量子霍尔态,为石墨烯材料体系在拓扑量子计算中的潜在应用建立了新的实验平台。
在拓扑量子计算方案的理论研究中,北京大学谢心澄课题组发现,在非马约拉纳(非电荷超导)的拓扑体系中,狄拉克费米子模等受拓扑保护的边缘态也可以展现出非阿贝尔编织特性,这是因为上述边缘态在编织过程中同样会积累一个受拓扑保护的几何相位。如果这个几何相位来源于电子自旋的Aharonov-Casher效应,则将提供一个基于自旋的新颖非阿贝尔编织方案。该方案可以在拓扑非平庸的自旋超导体(如具有交错势的铁磁石墨烯)中实现。自旋超导体的拓扑边缘态具有自旋的“1/2分数化”,是马约拉纳零模中“1/2电荷分数化”在自旋电子学中的呈现。
小 结
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延 伸 阅 读
01 顶级航运公司通过量子技术减少4000工作时02 量子计算推动天体物理学发展03 15亿美元的全栈量子计算公司宣布上市04 最全量子计算硬件概述(建议收藏)05 精,一文读懂量子计算06 日常生活中哪些设备运用了量子技术