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QC观察丨新发现的超导体材料可能成为“量子计算机的硅材料”

QC观察丨新发现的超导体材料可能成为“量子计算机的硅材料”
我们已经发现了许多超导体,但这个意外的例子说明了为什么一个超导体新发现的特性可能使它特别有用。大多数已知的超导体都是自旋单线态,在左侧岛屿上被发现。然而,铀二碲化合物是一种罕见的自旋三重态,在右侧岛上被发现,并且存在于山顶,代表其对磁场的异常高的抵抗力。这些特性使其成为制造量子比特的良好材料,尽管受到周围环境的干扰,但这仍能保持在量子计算机的一致性。

美国国家标准与技术研究院(NIST)发现了一种用于构建量子计算机的潜在有用材料,NIST的科学家发现了一种超导体,它可以避开阻碍有效量子逻辑电路的主要障碍之一。

化合物铀二碲化物(或UTe2)中新发现的特性表明,它可能对量子计算机开发中的一个难题具有很强的抵抗力。这个难题是:要让这样一台计算机的存储开关(称为量子比特),在失去使量子比特作为一个整体来运行的微妙的物理关系之前,运作足够长的时间来完成一次计算,这是很困难的。由于来自周围世界的干扰,这种被称为量子相干的关系很难维持。

这种化合物具有不同寻常的抗磁场能力,是超导材料中罕见的一种,它为量子比特设计提供了明显的优势,主要是能够抵抗容易进入量子计算的误差的抵抗能力。研究团队的Nick Butch表示,$UTe_2$的特殊行为可能会吸引新生的量子计算机产业。

NIST中子研究中心(NCNR)的物理学家Butch说:“这可能是量子信息时代的硅材料。你可以使用铀二碲化物来构建高效量子计算机的量子比特。”

该研究小组的研究结果发表在今天的《科学》杂志上,其中还包括来自马里兰大学和Ames实验室的科学家。他们的论文详细介绍了$UTe_2$的不常见属性,从技术应用和基础科学的角度来看,这些属性都很有趣。

其中之一是电子通过$UTe_2$合作向上导电的不寻常方式。在铜线或其他普通导体中,电子以单个粒子的形式运动,但在所有超导中它们都形成所谓的库珀对(Cooper pairs)。导致这些配对的电磁相互作用是材料超导性的原因。对这种超导现象的解释被命名为BCS理论,以三位科学家的名字命名,他们发现了这种配对现象(并因此获得了诺贝尔奖)。

对于这种库珀配对而言,特别重要的是所有电子都具有的特性。它被称为量子“自旋”,使电子的行为就像它们每个都有一个小条形磁铁穿过一样。在大多数超导中,成对电子的量子自旋方向是单一的——一个电子指向上方,而其伙伴指向下方。这种相反的配对称为自旋单线态。

然而,已知的超导体中有一小部分是不符合规范的,$UTe_2$似乎就是其中之一。它们的库珀对可以将它们的自旋定向为三种组合中的一种,使它们自旋成三重态。这些组合允许库珀对自旋平行定向,而不是相反。大多数自旋三重态超导也被预测为“拓扑”超导,具有非常有用的特性,在这种特性下,超导性将发生在材料的表面上,即使面对外部干扰,也将保持超导性。

“这些平行自旋对(parallel spin pairs)可以帮助计算机保持功能,”Butch说,“它不会因为量子波动而自发崩溃。”

到目前为止,所有量子计算机都需要一种方法来纠正从它们周围悄悄潜入的错误。超导作为量子计算机组件的基础,长期以来一直被认为具有普遍的优势,最近在量子计算机开发方面的几个的商业进展涉及由超导体制成的电路。拓扑超导的特性——量子计算机可能使用的特性——将具有不需要量子误差校正的额外优势。

“我们想要拓扑超导,因为它可以提供无差错的量子比特。它们可以有很长的使用寿命。”Butch说,“拓扑超导是量子计算的另一种途径,因为它们可以保护量子比特不受环境影响。”

在探索铀基磁体时,该团队偶然发现了$UTe_2$,通过改变其化学成分、压力或磁场,可以根据需要调整其电子特性——当你想要定制材料时,这是一个有用的特性。[这些参数都不是基于放射性。这种材料含有“贫化铀(depleted uranium)”,只有轻微的放射性。由$UTe_2$制成的量子比特很小,它们很容易被计算机的其他部分屏蔽掉。]

该研究团队并没有期望该化合物具有他们所发现的特性。

“$UTe_2$早在20世纪70年代就被创建出来了,即使是最近的研究文章也认为它并不引人注目。”Butch说,“我们在合成相关材料的过程中碰巧制造了一些$UTe_2$,所以我们在较低的温度下对其进行了测试,看看是否有一些现象可能被忽略了。我们很快意识到我们手上有一些非常特别的东西。”

NIST团队开始在NCNR和马里兰大学使用专业工具探索UTe2。他们发现它在低温 (低于-271.5摄氏度或1.6开尔文) 下变成了超导。它的超导特性类似于稀有超导体,同时也是铁磁性的,就像低温永磁体一样。然而,奇怪的是,$UTe_2$本身并不是铁磁性的。

“这就使得$UTe_2$从根本上来说是全新的。”Butch说。

它还具有很强的抗磁场能力。一般情况下,场会破坏超导性,但是根据场作用的方向,$UTe_2$可以承受高达35特斯拉的场。这是典型冰箱磁铁的3500倍,比大多数低温拓扑超导所能承受的强度多出许多倍。

尽管该团队尚未最终证明$UTe_2$是拓扑超导,但Butch表示这种对强磁场的不寻常的抵抗力意味着它一定是自旋三重态超导,因此它也可能是拓扑超导。这种抵抗力也可能有助于科学家了解$UTe_2$的性质,或许还有助于了解超导本身的性质。

“进一步探索可能会让我们深入了解是什么稳定了这些平行自旋超导。”他说,“超导研究的一个主要目标是能够充分理解超导性,以便我们知道在哪里寻找未被发现的超导材料。现在我们不能那样做。那么它们是不是必不可少的?我们希望这些材料能告诉我们更多。”

这项研究发表在《科学》杂志上。

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