奇异量子粒子的成像作为量子计算的基础

伊利诺伊大学芝加哥分校的研究人员与德国汉堡大学的同事合作，对一种奇异的量子粒子(称为马里亚纳费米子)进行了成像，该粒子可以用作未来量子位的构建基块，并最终成为量子计算机的实现。他们的发现发表在《科学进展》杂志上。

五十多年前，英特尔前首席执行官戈登·摩尔(Gordon Moore)观察到，计算机芯片上的晶体管数量每18至24个月翻一番。这种趋势，现在称为摩尔定律，一直持续到今天，导致晶体管的尺寸只有几纳米-十亿分之一米。在这种规模上，构成我们当前计算机工作基础的经典物理定律停止运行，并被量子力学定律所取代。因此，过去不再使用使晶体管更小以提高计算速度和数据存储的方法。

除非研究人员能弄清楚如何使用量子力学作为下一代计算机的新基础。

这是1982年理查德·费曼(Richard Feynman)提出的基本思想，理查德·费曼(Richard Feynman)是20世纪最具影响力的理论物理学家之一。与其使用存储以零和一编码的信息的经典计算机位，不如设计一种“量子位”(简称qubit)，它将利用量子力学定律来存储0到1之间的任何数字，从而呈指数增长计算速度并导致量子计算机的诞生。

UIC物理学教授，论文的通讯作者Dirk Morr说：“通常，当您放下手机时，它不会删除手机上的信息。” “那是因为存储信息的芯片上的1和0比特是相当稳定的。将1变成0，反之亦然，要花很多时间。在量子计算机中，因为存在无限数量在可能存在qubit的状态中，信息很容易丢失。”

为了形成更健壮和可靠的量子位，研究人员转向了马约拉纳费米子-仅成对出现的量子粒子。

莫尔说：“我们每个量子位只需要一个马约拉那费米子，因此我们必须将它们彼此分开。”

通过从一对马约拉那费米子构建量子位，只要马约拉那人保持足够的距离即可可靠地编码信息。

为了实现这种分离并“成像”单个马洛纳纳费米子，有必要创建一个“拓扑超导体”，该系统可以传导电流而没有任何能量损失，同时又与“拓扑”相关。结。”

“这种拓扑结类似于甜甜圈上的洞：您可以将甜甜圈变形为咖啡杯而不会丢失洞，但是如果要破坏洞，则必须做一些非常生动的事情，例如吃掉甜甜圈，莫尔说。

为了构建拓扑超导体，汉堡大学的Morr同事在超导体rh的表面上放置了一个直径仅为几十纳米的磁性铁原子岛。莫尔(Morr)的小组曾预测，通过使用扫描隧道显微镜，人们应该能够将马约拉那费米子成像为沿着铁原子岛边缘的亮线。这正是实验组观察到的。

“能够真正可视化这些奇异的量子粒子，使我们向构建健壮的量子比特，最终是量子计算机迈出了又一步，”莫尔说。“下一步将是弄清楚我们如何在量子芯片上对这些Majorana量子比特进行量子工程处理并对其进行处理，以实现计算能力的指数级增长。这将使我们能够解决当今面临的许多问题，包括应对全球变暖和预测地震以减轻无人驾驶汽车的交通拥堵，并建立更可靠的能源网格。”