高效計算機核心：利用單分子厚層晶體堆疊及QAH效應的新型人工量子材料

圖片來源：CC0公共領域

清華大學和北京中科院物理研究所的科學家們已經證明了利用量子反常霍爾效應控制多層磁性摻雜半導體中的物質狀態，從而控制內部電阻的能力。

量子反常霍爾效應（QAH）發生在一些特殊設計的材料中，這些材料的電子可以在不損失能量的情況下移動毫米尺度距離。將這種效應應用於器件將使能量效率和計算速度迎來新的革命。

在《中國物理學快報》雜誌上發表的一項研究中，研究人員說他們製造了一種人工材料，可以利用分子束外延來開發拓撲量子計算機，這是一種允許單分子厚層晶體堆疊並利用QAH效應的新技術。

量子計算機利用亞原子粒子同時處於多個狀態的能力，代替傳統計算機中的二進位或零，使它們能夠更有效地解決問題。拓撲量子計算機將超越這一步。它們不是物理粒子，而是使用一種稱為「任意粒子」的特定類型粒子來編碼信息。發現「任意粒子」在存儲和處理信息方面具有高度的抗錯誤性。

「我們可以實現QAH多層膜，或者多層晶格的堆疊，它們經歷了QAH效應，有幾個磁性摻雜的薄膜被絕緣的硒化鎘層隔開。由於我們通過分子束外延來實現，所以很容易控制每個層的性質以將樣品驅動到不同的狀態。」清華大學教授Ke He說。硒化鎘是由一個鎘原子和一個硒原子組成的分子，用作半導體，其導電性能可以通過添加雜質來改變。

產生多層薄晶體的能力允許在導電層之間夾持絕緣膜，防止電子在片材之間的不必要的相互作用，類似於我們避免電子線路中的導線交叉。這些類型的結構研究起來非常有趣，因為它們迫使一些電子進入所謂的「邊緣狀態」，直到現在它都很難被製造。這種「邊緣狀態」是一小段電子流過而沒有任何阻力的路徑。通過將許多層堆疊在彼此之上，並將更大比例的電子推進到該狀態來放大效應。

「通過調諧QAH層和硒化鎘絕緣層的厚度，我們可以將系統驅動成磁性的Weyl半金屬，這是迄今為止在自然存在的材料中從未令人信服地證明過的物質狀態。」

Weyl半金屬在2015年7月首次被觀測到，它是一種奇異的物質狀態並被分類為固態晶體。它使用無質量的Weyl費米子而不是電子來傳導電。Weyl費米子和電子之間的顯著質量差異使得電能更有效地流過電路，從而允許更快的通過器件。

「目前，我最感興趣的是構造可獨立控制的QAH雙層膜。如果我們能得到一對反向傳播的邊緣狀態，同時在樣品的邊緣上放置超導接觸，兩個邊緣狀態可能由於超導接觸而結合在一起，從而導致可用於構建拓撲量子計算機的Majorana模式。」

Majorana模式被認為可用於量子糾錯碼，這是拓撲量子計算機特有的性質，也是信息理論里用於減少數據傳輸中自然出現的錯誤並抵消干擾效應的一個重要部分。這個過程還可以提供處理量子信息的能力，並在將來更有效地存儲它。

文章來自phys網站，原文題目為A new artificial quantum material for future high-efficiency computers，由材料科技在線匯總整理。

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