物理学家发现量子超导体行为，控制新突破

一项新的研究揭示了电流通过量子超导体时的重要行为，这或许能推动诸如量子计算之类的未来技术的发展。

在一篇被《物理评论快报》接收并准备发表的论文中，该研究聚焦于弗洛凯马约拉纳费米子及其在一种被称为约瑟夫森效应的现象中的作用，这可能使量子驱动的计算机系统得到更精确的控制。

这项研究由印第安纳大学布卢明顿分校艺术与科学学院的物理学教授巴巴克·塞拉杰（Babak Seradjeh）与印度坎普尔理工学院的理论物理学家雷卡·库马里（Rekha Kumari）和阿里吉特·昆杜（Arijit Kundu）共同撰写。它在arXiv预印本服务器上能够获取。

巴巴克教授及其同事解决了当下量子计算机的一个核心问题——不稳定性。

其中被称为量子位的量子比特由于受到诸如温度波动或电磁噪声等环境因素的干扰，而失去了其微妙的量子态。

量子计算机经常需要使用超导体，超导体由能够零电阻导电的材料制成——这意味着它们可以传输电流而不损失任何能量。然而，当今的超导体只在极低的温度下工作——接近绝对零度。

这使得量子计算机要保持低温从而维持稳定，能耗极高，因为当量子位没有保持足够低温时，它们会变得更加不稳定，这意味着错误发生得更快更频繁。

科学界对于“室温超导体”的探索，常被称作超导领域的圣杯，因为冷却过程成本高昂且复杂。如果科学家能够开发出在室温（约 20 - 25°C 或 68 - 77°F）下表现出超导性的材料，这或许会彻底改变我们所熟知的技术，带来无损电力传输、指数级更快且更节能的电子产品、用于像 MRI 机器等应用的强大磁体以及先进的能量存储系统。

研究人员研究的核心在于马约拉纳费米子，它是一种行为独特的亚原子粒子；与大多数粒子不同，马约拉纳费米子是它们自己的反粒子。（对于宇宙中的每种类型的粒子——如电子和质子——都存在具有相反性质的相应反粒子，粒子和反粒子之间的这种对称性是宇宙结构的基本构成部分。）

研究人员认为马约拉纳费米子存在于某些材料中，如拓扑超导体。这些与常规超导体的不同之处在于，拓扑超导体在其表面或边缘具有独特、稳定的量子态，这些量子态受到材料底层拓扑结构——其在量子水平上的结构形成方式——的保护。

这些表面状态使它们能够抵抗干扰，这就是它们在开发更稳定的量子计算机方面具有潜力的原因。这些特殊的边缘状态还可以容纳像马约拉纳费米子这样的奇异粒子，而这些粒子在常规超导体中并不存在。

研究人员在特定背景下探索了马约拉纳费米子：周期性驱动的超导体，意思是它们会接触到以重复模式循环开启和关闭的外部能源。这种周期性驱动改变了马约拉纳费米子的行为，将它们转化为弗洛凯马约拉纳费米子（FMFs）。

弗洛凯马约拉纳费米子可以存在于不同的状态，根据它们与循环能源的相互作用而变化。这些 FMFs 以独特的方式影响电流，导致科学家称之为约瑟夫森效应——一种量子现象，即电流可以在两个超导体之间流动，无需施加电压，也就是推动两点之间电流的压力。超导体的这种周期性驱动是维持 FMFs 及其所产生的异常模式的关键。

在大多数系统中，两个超导体之间的电流会定期重复出现。然而，对于 FMFs，在一些先进的超导体中会出现一种特殊类型的电行为，其中电流以正常速率的一半振荡，形成一种独特的、较慢的模式，使系统更加稳定。

这种稳定性极为重要，因为它有助于提高量子计算机的性能和可靠性，量子计算机依靠精确、稳定的量子态来处理信息。换句话说，这种较慢的振荡能让量子设备效率更高，也更不容易受到干扰，这是当今量子计算中的一个重大挑战。

巴巴克及其同事的研究所揭示的关键发现之一为，约瑟夫森电流的强度——电流的大小——可以使用超导体的化学势进行调节。

简单来讲，化学势就如同一个能调节材料特性的表盘，研究人员发现，它能够通过与驱动系统的外部能源的频率同步来进行修改。

这为科学家控制量子材料提供了新的水平，并为量子信息处理中的应用开辟了可能性，在量子信息处理中，精确操纵量子态至关重要。对量子计算的影响十分巨大，因为该技术依赖于以稳定和可预测的方式操纵量子态。

弗洛凯马约拉纳费米子具有可通过外部驱动加以控制的独特性质，这一发现或许能为构建不仅运算速度更快，而且抗错能力更强的量子计算机铺平道路。

马约拉纳费米子让研究人员尤为兴奋，因为预计其能够支持容错量子计算，也就是说，在信息的存储和处理过程中，不会因噪声或其他干扰而丢失。

虽然这项研究属于理论层面，但研究团队借助计算机模拟证实了他们的成果，这些发现给全球的研究人员提供了探索量子系统中全新的、可控制的性质的路线图。