中国科学家发现一维拓扑边界态，有望叩开高能量子计算大门

中国科学家基于铁基高温超导材料研究发现的新型一维拓扑边界态，有望为人类叩开高能量子计算机的大门。

近日，国际著名学术杂志《自然—材料》（Nature Materials）刊登了铁基高温超导材料研究领域的一项重要进展——新型一维拓扑边界态的发现。拓扑超导体最激动人心的应用就是高能量子计算机，它能在计算中发现错误，一旦出错就会在信息处理过程中产生抵抗。

上述研究成果由中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室的王征飞教授和美国犹他大学刘锋教授、清华大学薛其坤院士及马旭村研究员、中科院物理所周兴江研究员合作获得。

超导和拓扑是固体材料领域最有趣的两个量子现象，二者纠缠形成的拓扑超导形态，在量子现象领域更是引人注目，因此，超导材料与拓扑材料也是近年来凝聚态物理研究的两大热点。拓扑超导态是物质的一种新状态，有别于传统的超导体，拓扑超导材料兼具超导材料和拓扑材料的特性，内部是超导态，而表面或边界则存在厚度约为1纳米的受拓扑保护的无能隙金属态。如果把一个拓扑超导体一分为二，其新表面又会自然出现一层厚度约1纳米的受拓扑保护的金属态。

量子计算最理想的粒子——马约拉纳费米子

与普通计算机通过二进制方式处理数据不同，量子计算机是一种基于量子物理机理处理数据的计算机。它采用次原子粒子“量子”来存储和处理信息。量子计算机的速度快到什么程度？学界有比喻称，如果现在的传统二进制计算机的速度是自行车，量子计算机的速度就好比飞机。

为何时至今日，人类还未能造成一台真正意义上的量子计算机？这是由于量子计算的粒子的“量子态”并不稳定，电磁干扰或物理干扰可以轻松打乱它们本应进行的计算。那么，就需要一种不受干扰的粒子。

最理想的粒子，是马约拉纳费米子。理论物理学家曾预言，拓扑超导材料在磁场下的涡旋中心会产生马约拉纳费米子。由于马约拉纳费米子的反粒子就是它本身，其状态非常稳定，不易被传统的电磁或物理干扰破坏，可以被用于定义量子计算中的量子比特。

量子比特的相干性是指电子向右自旋和正电子向左自旋的状态相关联，和传统计算机不同，量子计算机的运算时间由于量子比特间的相干性的存在而有限制，经过一定的时间后，量子比特间一旦遇到外界实体的观测，会失去相干性，量子相干性衰减即为“退相干”，如果退相干时间不够长，就无法完成计算。为了发挥量子计算的优势，硬件上需要保证量子比特的相干性，拓扑超导材料有助于解决传统量子比特的退相干问题，提高其存活时间，对于量子计算机领域的重要性不言而喻。

那么马约拉纳费米子跟拓扑边界态以及超导材料又有什么关系呢？具备拓扑以及超导这双重量子现象的新型超导材料，可以被认为是一种特殊的绝缘体，利用这一点，可以“哄骗”电子跑到这种材料的表面，将其转变为马拉约那费米子。

用物理学家L·安德鲁·雷的话来说，具备这两种特性的“超导体是产生和控制马拉约那费米子的理想育儿所。”

中国在高温超导领域是世界领跑者

如何设计寻找拓扑超导材料，一直是研究人员关注的焦点。自然界中很多材料都只是单一的超导或者拓扑绝缘体，超导和拓扑两种状态很难在同一种物质中共存。以往的研究思路是借助外延生长将拓扑材料放置在超导材料上或将超导材料放置在拓扑材料上，通过邻近效应实现拓扑超导体。但这种复合材料对于生长工艺的要求十分苛刻，阻碍了拓扑超导材料研究的发展。

在前述研究中，中国科学家以新型高温超导材料FeSe/SrTiO3为研究对象，结合理论计算、扫描隧道显微镜和角分辨光电子能谱，系统地研究了其反铁磁电子构型，在实空间观测到自旋—轨道耦合所打开的拓扑能隙中一种新型一维拓扑边界态的存在。

该工作有助于进一步理解FeSe/SrTiO3的高温超导机制，为探索单一材料高温拓扑超导体和马约拉纳费米子开辟了新途径。

中国在高温超导领域是世界领跑者。2013年，中科院物理研究所确定了铁基为新一类高温超导体，首次发现常压下临界温度高于40K（约零下233摄氏度）的超导电性，突破了麦克米兰极限温度。2015年8月，中科院强磁场中心曾研发出一种新型高质量单晶体，采用高温熔融法把碱土金属元素锶插入到典型的拓扑绝缘体材料硒化铋中，获得了高质量的拓扑超导单晶体。这种材料的超导性能高达91.5％，且在空气中十分稳定，在10特斯拉到35特斯拉磁场区间出现了周期性的量子振荡信号，证明其存在拓扑保护表面态。

由于其磁性因素，铁基化合物曾一度几乎被无数国际顶尖物理学家断言为探索高温超导体的禁区。2014年1月，以赵忠贤、陈仙辉、王楠林、闻海虎、方忠为代表的中国科学院物理研究所/北京凝聚态国家实验室和中国科学技术大学研究团队因为在“40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究”方面的突出贡献获得了国家自然科学一等奖。在此之前，这一奖项已经连续3年空缺。