離構建穩定的「量子比特」又近了一步，量子計算機指日可待？

科學家拍攝了一種名為馬約拉納費米子的奇異量子粒子圖像，這種粒子可以作為未來量子位元的一塊基石，並最終實現量子計算機，其研究發現發表在《科學進展》上。50多年前，英特爾(Intel)前首席執行官戈登?摩爾(Gordon Moore)發現，電腦晶元上的晶體管數量每隔18至24個月就會翻一番。這一趨勢，現在被稱為摩爾定律，一直延續到今天，導致晶體管只有幾納米（一米的十億分之一）。

在這個尺度上，構成當前計算機工作基礎的經典物理定律不再發揮作用，取而代之的是量子力學定律。因此，將晶體管做得更小是不可能的了。過去，晶體管曾被用於提高計算速度和數據存儲。除非研究人員能弄清楚如何使用量子力學作為下一代計算機的新基礎。這是理查德·費曼1982年提出的基本觀點。費曼是20世紀最有影響力的理論物理學家之一。人們不會使用經典的計算機比特來存儲以0和1編碼信息，而是會設計出「量子比特」（量子位）。

利用量子力學定律來存儲0到1之間的任何數字，從而成倍地提高計算速度，並促使量子計算機的誕生。UIC的物理學教授，也是這篇論文的通訊作者德克·莫爾(Dirk Morr)說：通常，當你放下手機時，它不會刪除你手機上的信息，這是因為以1和0為單位存儲信息的晶元相當穩定。把1變成0需要很多時間，反之亦然。然而，在量子計算機中，由於量子位元有無限種可能的狀態，信息更容易丟失。為了形成更強更可靠的量子位元，研究人員求助於馬約拉納費米子(一種成對出現的量子粒子)。

每量子位只需要一個馬約拉納費米子，所以必須把它們分開。通過從一對馬約拉納費米子構建量子位元，只要馬約拉納費米子保持足夠遠的距離，信息就可以被可靠地編碼。為了實現這種分離，並「成像」單個馬約拉納費米子，有必要創建一個「拓撲超導體」：一個既能傳導電流而又不損失任何能量的系統，同時又被綁在一個「拓撲結」上。這個拓撲結就像甜甜圈上的洞：可以把甜甜圈變形成一個咖啡杯，但如果你想破壞這個洞，必須做一些非常戲劇性的事情，比如吃甜甜圈。

為了構建拓撲超導體，科學家在超導體錸的表面放置了一個只有幾十納米直徑的磁性鐵原子島。研究人員曾預測，通過掃描隧道顯微鏡，應該能夠將馬約拉納費米子成像為沿著鐵原子島邊緣的一條亮線，這正是實驗組觀察到的。能夠將這些奇異的量子粒子形象化，使離構建穩定的量子位元又近了一步，最終將建成量子計算機。下一步將是弄清楚如何在量子晶元上設計這些馬約納量子位元，並操縱它們來獲得計算能力的指數增長。這將使科學家能夠解決我們今天面臨的許多問題。

博科園｜研究/來自：伊利諾伊大學芝加哥分校

參考期刊《科學進展》

DOI: 10.1126/sciadv.aav6600

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