新發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體材料可能是量子計(jì)算機(jī)的硅

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)出土了一種潛在的用于構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)的材料，該研究所的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種超導(dǎo)體，它可以避開(kāi)阻礙有效量子邏輯電路的主要障礙之一。

復(fù)合二碲化鈾或UTe2的新發(fā)現(xiàn)的特性表明，它可以證明對(duì)量子計(jì)算機(jī)發(fā)展的一大利器具有很高的抵抗力-制造這種稱為qubits的計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)開(kāi)關(guān)的功能很難起作用，足以完成一個(gè)計(jì)算，然后再失去微妙的物理關(guān)系，使它們無(wú)法作為一個(gè)小組工作。由于周?chē)澜绲母蓴_，這種關(guān)系稱為量子相干性，很難維持。

該化合物對(duì)磁場(chǎng)的異常強(qiáng)烈的抵抗力使其成為超導(dǎo)(SC)材料中的稀有鳥(niǎo)類(lèi)，這為量子位設(shè)計(jì)提供了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，主要是因?yàn)樗鼈兙哂袑?duì)誤差的抵抗力，而這些誤差很容易進(jìn)入量子計(jì)算。研究團(tuán)隊(duì)的尼克·布奇(Nick Butch)表示，UTe2的出色行為可能使其對(duì)新生的量子計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)有吸引力。

NIST中子研究中心(NCNR)的物理學(xué)家Butch說(shuō)：“這可能是量子信息時(shí)代的硅。” “您可以使用二碲化鈾來(lái)構(gòu)建高效量子計(jì)算機(jī)的量子位。”

該小組的研究結(jié)果(其中還包括馬里蘭大學(xué)和艾姆斯實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家)今天發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。他們的論文詳細(xì)介紹了UTe2的罕見(jiàn)特性，從技術(shù)應(yīng)用和基礎(chǔ)科學(xué)的角度來(lái)看，這都很有趣。

其中一種是通過(guò)UTe2傳導(dǎo)電子的電子與眾不同的方式。在銅線或其他普通導(dǎo)體中，電子作為單個(gè)粒子傳播，但在所有SC中，它們形成所謂的庫(kù)珀對(duì)。導(dǎo)致這些配對(duì)的電磁相互作用是材料超導(dǎo)性的原因。這種超導(dǎo)性的解釋是根據(jù)發(fā)現(xiàn)配對(duì)的三位科學(xué)家(并因此獲得諾貝爾獎(jiǎng))而命名為BCS理論。

對(duì)于這種庫(kù)珀配對(duì)特別重要的是所有電子都具有的特性。它被稱為量子“自旋”，使電子的行為就像每個(gè)電子都有一個(gè)穿過(guò)它的小條形磁鐵一樣。在大多數(shù)超導(dǎo)體中，成對(duì)的電子具有單一方向的量子自旋-一個(gè)電子指向上方，而其伙伴指向下方。這種相反的配對(duì)稱為自旋單線態(tài)。

但是，少數(shù)已知的超導(dǎo)體是不符合標(biāo)準(zhǔn)的，而UTe2似乎屬于其中之一。他們的庫(kù)珀對(duì)可以將自旋定向?yàn)槿N組合之一，從而使它們旋轉(zhuǎn)三胞胎。這些組合允許庫(kù)珀對(duì)自旋平行排列，而不是相對(duì)排列。預(yù)計(jì)大多數(shù)自旋三重態(tài)SC也是“拓?fù)?rdquo; SC，具有非常有用的特性，其中超導(dǎo)電性將出現(xiàn)在材料表面，即使面對(duì)外部干擾也將保持超導(dǎo)。

布奇說(shuō)：“這些平行的自旋對(duì)可以幫助計(jì)算機(jī)保持功能。” “它不會(huì)因?yàn)榱孔硬▌?dòng)而自發(fā)崩潰。”

到目前為止，所有量子計(jì)算機(jī)都需要一種方法來(lái)糾正從其周?chē)拥恼`差。長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直認(rèn)為SC具有作為量子計(jì)算機(jī)組件基礎(chǔ)的一般優(yōu)勢(shì)，并且量子計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)中的一些最新商業(yè)進(jìn)展涉及由超導(dǎo)體制成的電路。量子計(jì)算機(jī)可能會(huì)使用的拓?fù)銼C的屬性將具有不需要進(jìn)行量子錯(cuò)誤校正的額外優(yōu)勢(shì)。

“我們想要一個(gè)拓?fù)銼C，因?yàn)樗梢詾槟峁o(wú)錯(cuò)誤的量子位。它們的壽命可能非常長(zhǎng)，” Butch說(shuō)。“拓?fù)銼C是量子計(jì)算的另一種方法，因?yàn)樗鼈兛梢员Ｗo(hù)量子位免受環(huán)境的影響。”

該團(tuán)隊(duì)在探索鈾基磁體時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)了UTe2，該磁體可以通過(guò)改變其化學(xué)性質(zhì)，壓力或磁場(chǎng)來(lái)根據(jù)需要調(diào)整其電子性能-當(dāng)您需要可定制的材料時(shí)，這是一個(gè)有用的功能。(這些參數(shù)都不是基于放射性的。該材料包含的“貧鈾”僅具有輕微的放射性。由UTe2制成的量子比特很小，可以很容易地被計(jì)算機(jī)的其余部分屏蔽。)

研究小組沒(méi)想到該化合物具有他們發(fā)現(xiàn)的特性。

Butch說(shuō)：“ UTe2最早是在1970年代創(chuàng)建的，甚至相當(dāng)近期的研究文章都將其描述為非凡。” “我們?cè)诤铣上嚓P(guān)材料時(shí)碰巧制作了一些UTe2，因此我們?cè)谳^低的溫度下進(jìn)行了測(cè)試，以查看是否可能忽略了某些現(xiàn)象。我們很快意識(shí)到我們手上有一些非常特別的東西。”

NIST團(tuán)隊(duì)開(kāi)始使用NCNR和馬里蘭大學(xué)的專(zhuān)用工具探索UTe2。他們看到它在低溫(低于-271.5攝氏度或1.6開(kāi)爾文)下變得超導(dǎo)。它的超導(dǎo)性能類(lèi)似于同時(shí)具有鐵磁性的稀有超導(dǎo)體，其作用類(lèi)似于低溫永磁體。然而，奇怪的是，UTe2本身不是鐵磁性的。

Butch說(shuō)：“僅出于這個(gè)原因，UTE2便從根本上成為新產(chǎn)品。”

它還對(duì)磁場(chǎng)具有很高的抵抗力。通常，磁場(chǎng)會(huì)破壞超導(dǎo)性，但是根據(jù)施加磁場(chǎng)的方向，UTe2可以承受高達(dá)35特斯拉的磁場(chǎng)。它的強(qiáng)度是普通冰箱磁體的3500倍，是大多數(shù)低溫拓?fù)銼C可以承受的強(qiáng)度的許多倍。

盡管該團(tuán)隊(duì)尚未最終證明UTe2是拓?fù)銼C，但是Butch說(shuō)，這種對(duì)強(qiáng)磁場(chǎng)的不尋常抵抗力意味著它必須是自旋三重態(tài)SC，因此也可能是拓?fù)銼C。這種抗性還可以幫助科學(xué)家了解UTe2的性質(zhì)，也許還可以了解超導(dǎo)本身。

他說(shuō)：“進(jìn)一步研究可能使我們深入了解如何穩(wěn)定這些并行旋轉(zhuǎn)SC。” “ SC研究的一個(gè)主要目標(biāo)是能夠充分理解超導(dǎo)性，以使我們知道在哪里尋找未發(fā)現(xiàn)的SC材料?，F(xiàn)在我們不能這樣做了。它們是必不可少的嗎?我們希望這種材料能夠告訴我們更多。”