目前量子電腦主要使用超導迴路的電磁模式和困在超導量子點內少量電子的自旋特性這兩種技術,實現儲存和操控量子信息。一份由耶魯大學引領的新研究宣布他們把兩種技術結合使用,結果展示這能夠有效綜合兩種技術的優點。

7月23日發表於《科學》(Science)期刊的研究介紹了用這種方法實現的一種新型量子比特。

就像數位比特是現代電腦的基礎單元一樣,量子比特是量子電腦的基礎單元。用甚麼技術實現量子比特才能讓量子電腦最有效率、出錯率最小,這是量子電腦研究領域的熱點之一。

研究稱,這種新型量子比特是由一個困在約瑟夫森結(Josephson junction)內超導准粒子的自旋構成,也就是說用這個粒子的各種自旋特性代表量子比特的各種狀態。

約瑟夫森結是中間以弱連接分隔的兩個超導體。弱連接可以有很多選擇,可以是普通金屬,也可以是絕緣層。准粒子是固態系統中的各種虛擬粒子,在電場或磁場的激發下行為就像粒子一樣。

研究介紹這種技術主要有兩個特色,一個是在約瑟夫森結內,該粒子的自旋特性和它的運動軌道之間按照一定規律相互牽制,導致流經約瑟夫森結的超電流受到准粒子自旋狀態的約束。

另一個特色是,這大幅提升了約瑟夫森結的安德列夫水平(Andreev levels)。安德列夫水平是所有約瑟夫森結都具有的微觀電子狀態,也是著名的約瑟夫森效應的根本所在——即出現沒有電壓的電流。

這個實驗探索了超導體-半導體異質結構,比如納米線結的情形,發現安德列夫水平是實現馬約拉納零能模(MZMs)的前提狀態。

馬約拉納費米子(fermion)是意大利理論物理學家埃托雷·馬約拉納(Ettore Majorana)1937年提出的一種假設的粒子。它具有粒子的特性,但卻不是真正的粒子。現在科學家認為這種粒子是解決量子比特不穩定性的優質方案之一。而馬約拉納零能模是這種粒子神秘的量子態。在這種狀態下,該粒子的反粒子就是它本身。

研究稱,這項實驗對進一步探索基於馬約拉納粒子的拓撲信息處理技術具有重要的意義。#

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