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

美國國家標(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，它可以證明對量子計算機(jī)發(fā)展的一大利器具有很高的抵抗力-制造這種稱為qubits的計算機(jī)的存儲開關(guān)的功能很難起作用，足以完成一個計算，然后再失去微妙的物理關(guān)系，使它們無法作為一個小組工作。由于周圍世界的干擾，這種關(guān)系稱為量子相干性，很難維持。

該化合物對磁場的異常強(qiáng)烈的抵抗力使其成為超導(dǎo)(SC)材料中的稀有鳥類，這為量子位設(shè)計提供了獨特的優(yōu)勢，主要是因為它們具有對誤差的抵抗力，而這些誤差很容易進(jìn)入量子計算。研究團(tuán)隊的尼克·布奇(Nick Butch)表示，UTe2的出色行為可能使其對新生的量子計算機(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：“這可能是量子信息時代的硅。” “您可以使用二碲化鈾來構(gòu)建高效量子計算機(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)和艾姆斯實驗室的科學(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的罕見特性，從技術(shù)應(yīng)用和基礎(chǔ)科學(xué)的角度來看，這都很有趣。

其中一種是通過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，電子作為單個粒子傳播，但在所有SC中，它們形成所謂的庫珀對。導(dǎo)致這些配對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)配對的三位科學(xué)家(并因此獲得諾貝爾獎)而命名為BCS理論。

對于這種庫珀配對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電子都有一個穿過它的小條形磁鐵一樣。在大多數(shù)超導(dǎo)體中，成對的電子具有單一方向的量子自旋-一個電子指向上方，而其伙伴指向下方。這種相反的配對稱為自旋單線態(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。他們的庫珀對可以將自旋定向為三種組合之一，從而使它們旋轉(zhuǎn)三胞胎。這些組合允許庫珀對自旋平行排列，而不是相對排列。預(yù)計大多數(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，即使面對外部干擾也將保持超導(dǎo)。

布奇說：“這些平行的自旋對可以幫助計算機(jī)保持功能。” “它不會因為量子波動而自發(fā)崩潰。”

到目前為止，所有量子計算機(jī)都需要一種方法來糾正從其周圍蔓延的誤差。長期以來，人們一直認(rèn)為SC具有作為量子計算機(jī)組件基礎(chǔ)的一般優(yōu)勢，并且量子計算機(jī)開發(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。量子計算機(jī)可能會使用的拓?fù)銼C的屬性將具有不需要進(jìn)行量子錯誤校正的額外優(yōu)勢。

“我們想要一個拓?fù)銼C，因為它可以為您提供無錯誤的量子位。它們的壽命可能非常長，” Butch說。“拓?fù)銼C是量子計算的另一種方法，因為它們可以保護(hù)量子位免受環(huán)境的影響。”

該團(tuán)隊在探索鈾基磁體時偶然發(fā)現(xiàn)了UTe2，該磁體可以通過改變其化學(xué)性質(zhì)，壓力或磁場來根據(jù)需要調(diào)整其電子性能-當(dāng)您需要可定制的材料時，這是一個有用的功能。(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，可以很容易地被計算機(jī)的其余部分屏蔽。)

研究小組沒想到該化合物具有他們發(fā)現(xiàn)的特性。

Butch說：“ 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。” “我們在合成相關(guān)材料時碰巧制作了一些UTe2，因此我們在較低的溫度下進(jìn)行了測試，以查看是否可能忽略了某些現(xiàn)象。我們很快意識到我們手上有一些非常特別的東西。”

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

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

它還對磁場具有很高的抵抗力。通常，磁場會破壞超導(dǎo)性，但是根據(jù)施加磁場的方向，UTe2可以承受高達(dá)35特斯拉的磁場。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)隊尚未最終證明UTe2是拓?fù)銼C，但是Butch說，這種對強(qiáng)磁場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：“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。”