华人学者一作论文发现不寻常超导体,或可作为量子计算机的“硅”

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华人学者一作论文发现不寻常超导体,或可作为量子计算机的“硅”
麻省理工科技评论 2019-08-18

2019-08-18

尽管有人已经说以传统计算机为代表的硅时代正在终结,量子计算机可能就是那个“盖棺的人”,但实际上,谁是支撑下一代计算的“硅”,科学界还无法清晰回答,只是划出了一个稍显宽泛的范围,建造量子计算机的“原料”,关键在于超导材料。
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尽管有人已经说以传统计算机为代表的硅时代正在终结,量子计算机可能就是那个“盖棺的人”,但实际上,谁是支撑下一代计算的“硅”,科学界还无法清晰回答,只是划出了一个稍显宽泛的范围,建造量子计算机的“原料”,关键在于超导材料。

尽管有人已经说以传统计算机为代表的硅时代正在终结,量子计算机可能就是那个“盖棺的人”,但实际上,谁是支撑下一代计算的“硅”,科学界还无法清晰回答,只是划出了一个稍显宽泛的范围,建造量子计算机的“原料”,关键在于超导材料。

美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究团队刚在这方面获得突破,从一种“老”材料的身上,偶然发现了新的超导特性,它可以解决高效量子计算逻辑电路的主要问题,是用于建造量子计算机的潜在实用材料。该研究发现发表在最新一期的 Science 杂志上,同时参与该研究的还有来自马里兰大学和艾姆斯实验室(Ames Laboratory)的科学家。

研究人员在论文中详细描述了“UTe2(二碲化铀)”在超导材料领域的各种不寻常特性,不论是从技术应用角度,还是从基础科学角度都十分有趣。它很可能克服工业中的“量子退相干”问题,有望进一步推动量子计算机建造的发展,扮演量子计算机中“硅”的角色。

论文的第一作者 Sheng Ran 于 2008 年本科从复旦大学毕业,随后在美国开展了博士学习及随后的工作。目前他在 NIST 做访问学者,与该项目的负责人Butch 的研究团队共同合作发现了此次突破。

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图 | 超导材料(来源:Stanford Advanced Materials)

为何需要超导材料

目前,“督促”半导体业快速发展的经验法则——摩尔定律即将碰到天花板,有人说摩尔定律将死。为什么会这样?

这需要从底层说起。在传统计算机的基本逻辑电路中,由晶体管组成“与或非”等各种逻辑门,多个逻辑门组合在一起就可以让计算机完成一些复杂的计算。简言之,晶体管就好像一个控制计算机处理数据的开关,来决定电流是否能通过,从而产生了由高低电信号组成的数据——比特(bit)。

目前的晶体管已经向几纳米的级别发展,在这该尺寸下,晶体管可能和几十个甚至几个原子大小差不多。此时,晶体管的开关特性就受到了极大挑战——“量子隧道效应”会造成漏电流。换句话说,就是尺寸缩小到量子层面时开关关不上了,而失去了开关特性就意味着失去了计算功能。

到了量子尺寸,经典物理学的原理受到冲击,人们设计和使用电子元件的方式也要进行革新。科学家便自然地将目光投向了遵循量子力学的量子计算,量子比特的强大计算能力随即吸引了科学界的广泛注意。

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图 | 目前量子计算机的结构:每一层都由钢外套保护(图为去掉钢外套后的结构),并从顶层向下逐渐冷却,直到最底层的最低温度几乎达到绝对零度(-273℃)(来源:Techspot)

传统计算机采用二进制,对于比特来说,分为 0 和 1 两种,通过 0 和 1 的组合可以代表任何数字。而在量子计算机中,其信息单位量子比特(qubit)也有 0 和 1,但是它还有 0 和 1 之间的一个任意组合(线性组合),就像“薛定谔的猫”一样,存在一个“不死不活”的叠加状态。

如果将多个量子比特放在一起,这些叠加状态之间又互有关联,能够存储和计算更多的数据。简言之,多个量子比特在某一次操作之后不是仅代表多个比特“0”和“1”的一种组合,而是可以代表所有可能的态。这样在运算的时候,采用量子比特则是把所有态一起计算,可大大加快运算速度。

但让科学家们头疼的是,如何操控量子计算的运算单元——量子比特。直到有三位物理学家发现了一种新的材料形态,并因此获得了 2016 年的诺贝尔物理学奖。David J. Thouless,Duncan Haldane 和 J. Michael Kosterlitz 三人从理论上假设了一种极端的场景:温度接近绝对零度,同时磁场超过技术极限;然后把物质“拍扁”,变成一个二维薄片材料。

这样就诞生了一种超脱于绝缘体和导体的材料——拓扑绝缘体,其体内是绝缘的,但表面又是导电的(还是超导)。而由此引出的“拓扑超导体”,则为量子计算机的逻辑电路设计提供了相对有效的材料。目前人们已经发现了很多种超导材料,大多数超导体是自旋单线态,在下图左侧小岛上发现的。然而,NIST 此次发现 UTe2 具有一种罕见的自旋三重态,处于下图右侧的小岛上的山顶位置。

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图 | 自旋单线态与自旋三重态的领域对比:UTe2 的这些属性使它即便在有周围环境的干扰下,仍能保持

置于山顶是因为 UTe2 对磁场有异常高的抵抗力,能极大程度地减小量子计算中极易产生的误差。根据研究团队的一员 Nick Butch 的说法,UTe2 的特殊表现可能使其在新兴的量子计算机行业极具吸引力。

同时,它很有可能解决量子计算机研发过程中的一个主要问题——如何制造出可以让这种计算机的内存存储开关(即为量子比特)运行足够长时间的元件,以便在它们失去作为一个整体运行的微妙物理关系之前完成一次运算。这是一个很难的问题,由于周围环境的干扰,这种被称为“量子相干性”的关系是很难维系的。

或是量子信息时代的“硅”

“这很可能是量子信息时代的‘硅’,”NIST中子研究中心(NCNR)的物理学家Butch评价道,“你可以用 UTe2 来建造一台高效率的量子计算机的量子比特(量子位元)元件。”

该研究团队发表在 Science 杂志上的论文,具体描述了 UTe2 的不寻常性能,其中之一就是电子通过 UTe2 材料导电的特殊结合方式。在铜线或其他普通导体中,电子以单个粒子的形式运动,但是在所有的超导体中,电子会形成“库珀对”。材料的超导性正和产生库珀对的电磁相互作用有关。

对该超导现象的解释被命名为“BCS 理论”,是以创立该理论的三位科学家名字(J. Bardeen,L. N. Cooper 和 J. R. Schrieffer)来命名的,他们也因此分享了1972年的诺贝尔物理学奖。

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图 | 李政道曾提出的有关 BCS 超导机理的漫画:单翅蜜蜂代表单个电子,下方为蜂窝状的碳 60 系

对于库珀对来说,十分重要的是所有电子都具有被称为量子“自旋”的属性,它使电子的行为就好像每个电子有一个小的条形磁铁穿过一样。在大多数超导体中,成对电子的量子自旋方向是单一的——其中一个电子目标向上,而它的伙伴目标向下。这种对立的配对模式被称为“自旋单重态”。

然而,已知的超导体中有一小部分是不墨守成规的,UTe2 似乎就是其中之一。该化合物中的库珀对拥有三种不同组合的自旋方向,使它们成为“自旋三重态”。这三种组合可以让库珀对的旋转方向相同(平行),而不是相反。大多数自旋三重态的超导体都被预测为“拓扑超导材料”,其具有非常实用的特性,可以在有外界干扰的情况下,保持材料表面的超导性。

Butch 表示:“这些平行的自旋对可以帮助量子计算机保持功能,使其不会因为量子涨落而自发地崩溃。”

偶然得到的发现成果

到目前为止,所有的量子计算机都需要一种方法来纠正它们受到周边环境影响而带来的误差。超导材料作为量子计算机元件的基础,长期以来一直被认为具有普遍优势,近年来关于量子计算机研发的几个商业进展都涉及由超导体制成的电路。而拓扑超导材料的特性(可以用在量子计算机上的),将具有不再需要量子误差矫正的额外优势。

“我们想要一种拓扑超导材料,原因是它能给人们提供没有错误的量子比特。同时,它们的使用寿命可能会很长。”Buthc 说,“拓扑超导材料是量子计算的替用路线,因为它们将保护量子比特不受周围环境影响。”

其实,关于 UTe2 的新进展是在研究团队探索铀基磁铁时偶然发现的,这种磁铁的电子性能可以根据需要,通过改变化学成分、压力或磁场来调整——当你想要定制材料时,这是一个很有用的特性。值得注意的是,虽然是铀基材料,但上述参数没有一个是基于放射性的。这种材料中含有“贫化铀”,但只有轻微的放射性,使用 UTe2 制造的量子比特元件会很小,很容易被计算机的其他部分所屏蔽。

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图 | UTe2 的晶体结构及相关材料数据 (来源:The Materials Project)

研究人员在实验之前并没有预料到该化合物拥有他们现在所发现的价值。Butch 说:“UTe2最早出现于 20 世纪 70 年代,甚至连近期的相关研究文章也将其描述得平谈无奇。我们在合成相关材料时碰巧制造了一些 UTe2,所以就顺手在低温下测试了它,看看是否有什么现象可能被人们忽略了。结果我们很快就意识到,我们手上有非常特别的东西。”

因此,NIST 的研究团队便开始使用中子研究中心和马里兰大学的专业设备来探索 UTe2。他们发现其在低温条件下(低于 271.5℃ 或 1.6K)会变成超导体,而且它的超导特性十分罕见,拥有超导性的同时也具有铁磁性——就像低温永磁体一样。然而,奇怪的是,UTe2 本身并不是铁磁性的。

“仅仅因为这个原因,就从根本上赋予了 UTe2 新的意义。”Butch 表示。

UTe2 对磁场也有很强的抵抗力。通常情况下,磁场会破坏材料的超导性。但取决于磁场作用的方向,UTe2 可以承受高达 35 特斯拉的磁场。这是一个典型冰箱磁铁强度的 3500 倍,比大多数低温拓扑超导材料所能承受的强度也要高许多倍。

虽然截至目前,研究团队还没有确切证明 UTe2 是一种拓扑超导材料,但 Butch 认为这种对强磁场的特殊电阻性能意味着它一定是一种拥有自旋三重态的超导材料。因此,它也很可能是一种拓扑超导材料。这种电阻特性可以帮助科学家理解 UTe2 的本质,也许还能帮助理解超导性本身。

“进一步的探索可能会让我们深入了解是什么稳定了这些平行的自旋超导电子,”Butch 说,“超导材料研究的一个主要目标就是要更好地理解超导性本身,以便让科学家知道去哪里寻找尚未被发现的超导材料,而现在这是我们还做不到的。至于它们是必不可少的么?我们希望这种材料可以告诉我们更多。”

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