華人學者一作論文發現不尋常的超導體，或可作為量子計算機的「硅」

新聞 08-18

儘管有人已經說以傳統計算機為代表的硅時代正在終結，量子計算機可能就是那個「蓋棺的人」，但實際上，誰是支撐下一代計算的「硅」，科學界還無法清晰回答，只是划出了一個稍顯寬泛的範圍，建造量子計算機的「原料」，關鍵在於超導材料。

美國國家標準與技術研究院（NIST）的研究團隊剛在這方面獲得突破，從一種「老」材料的身上，偶然發現了新的超導特性，它可以解決高效量子計算邏輯電路的主要問題，是用於建造量子計算機的潛在實用材料。該研究發現發表在最新一期的Science雜誌上，同時參與該研究的還有來自馬里蘭大學和艾姆斯實驗室（Ames Laboratory）的科學家。

研究人員在論文中詳細描述了「UTe2（二碲化鈾）」在超導材料領域的各種不尋常特性，不論是從技術應用角度，還是從基礎科學角度都十分有趣。它很可能克服工業中的「量子退相干」問題，有望進一步推動量子計算機建造的發展，扮演量子計算機中「硅」的角色。

論文的第一作者 Sheng Ran 於 2008 年本科從復旦大學畢業，隨後在美國開展了博士學習及隨後的工作。目前他在 NIST 做訪問學者，與該項目的負責人Butch 的研究團隊共同合作發現了此次突破。

圖 | 超導材料（來源：Stanford Advanced Materials）

為何需要超導材料

目前，「督促」半導體業快速發展的經驗法則——摩爾定律即將碰到天花板，有人說摩爾定律將死。為什麼會這樣？

這需要從底層說起。在傳統計算機的基本邏輯電路中，由晶體管組成「與或非」等各種邏輯門，多個邏輯門組合在一起就可以讓計算機完成一些複雜的計算。簡言之，晶體管就好像一個控制計算機處理數據的開關，來決定電流是否能通過，從而產生了由高低電信號組成的數據——比特（bit）。

目前的晶體管已經向幾納米的級別發展，在這該尺寸下，晶體管可能和幾十個甚至幾個原子大小差不多。此時，晶體管的開關特性就受到了極大挑戰——「量子隧道效應」會造成漏電流。換句話說，就是尺寸縮小到量子層面時開關關不上了，而失去了開關特性就意味著失去了計算功能。

到了量子尺寸，經典物理學的原理受到衝擊，人們設計和使用電子元件的方式也要進行革新。科學家便自然地將目光投向了遵循量子力學的量子計算，量子比特的強大計算能力隨即吸引了科學界的廣泛注意。

圖 | 目前量子計算機的結構：每一層都由鋼外套保護(圖為去掉鋼外套後的結構)，並從頂層向下逐漸冷卻，直到最底層的最低溫度幾乎達到絕對零度（-273℃）（來源：Techspot）

傳統計算機採用二進位，對於比特來說，分為 0 和 1 兩種，通過 0 和 1 的組合可以代表任何數字。而在量子計算機中，其信息單位量子比特（qubit）也有 0 和 1，但是它還有 0 和 1 之間的一個任意組合（線性組合），就像「薛定諤的貓」一樣，存在一個「不死不活」的疊加狀態。

如果將多個量子比特放在一起，這些疊加狀態之間又互有關聯，能夠存儲和計算更多的數據。簡言之，多個量子比特在某一次操作之後不是僅代表多個比特「0」和「1」的一種組合，而是可以代表所有可能的態。這樣在運算的時候，採用量子比特則是把所有態一起計算，可大大加快運算速度。

但讓科學家們頭疼的是，如何操控量子計算的運算單元——量子比特。直到有三位物理學家發現了一種新的材料形態，並因此獲得了 2016 年的諾貝爾物理學獎。David J. Thouless，Duncan Haldane 和 J. Michael Kosterlitz 三人從理論上假設了一種極端的場景：溫度接近絕對零度，同時磁場超過技術極限；然後把物質「拍扁」，變成一個二維薄片材料。

這樣就誕生了一種超脫於絕緣體和導體的材料——拓撲絕緣體，其體內是絕緣的，但表面又是導電的（還是超導）。而由此引出的「拓撲超導體」，則為量子計算機的邏輯電路設計提供了相對有效的材料。目前人們已經發現了很多種超導材料，大多數超導體是自旋單線態，在下圖左側小島上發現的。然而，NIST 此次發現UTe2具有一種罕見的自旋三重態，處於下圖右側的小島上的山頂位置。

圖 | 自旋單線態與自旋三重態的領域對比：UTe2的這些屬性使它即便在有周圍環境的干擾下，仍能保持量子比特在量子計算機中的連貫性，是製造量子比特邏輯電路的良好材料（來源：Natasha Hanacek/NIST）

置於山頂是因為UTe2對磁場有異常高的抵抗力，能極大程度地減小量子計算中極易產生的誤差。根據研究團隊的一員 Nick Butch 的說法，UTe2的特殊表現可能使其在新興的量子計算機行業極具吸引力。

同時，它很有可能解決量子計算機研發過程中的一個主要問題——如何製造出可以讓這種計算機的內存存儲開關（即為量子比特）運行足夠長時間的元件，以便在它們失去作為一個整體運行的微妙物理關係之前完成一次運算。這是一個很難的問題，由於周圍環境的干擾，這種被稱為「量子相干性」的關係是很難維繫的。

或是量子信息時代的「硅」

「這很可能是量子信息時代的『硅』，」NIST中子研究中心（NCNR）的物理學家Butch評價道，「你可以用UTe2來建造一台高效率的量子計算機的量子比特（量子位元）元件。」

該研究團隊發表在Science雜誌上的論文，具體描述了UTe2的不尋常性能，其中之一就是電子通過UTe2材料導電的特殊結合方式。在銅線或其他普通導體中，電子以單個粒子的形式運動，但是在所有的超導體中，電子會形成「庫珀對」。材料的超導性正和產生庫珀對的電磁相互作用有關。

對該超導現象的解釋被命名為「BCS 理論」，是以創立該理論的三位科學家名字（J. Bardeen，L. N. Cooper 和 J. R. Schrieffer）來命名的，他們也因此分享了1972年的諾貝爾物理學獎。

圖 | 李政道曾提出的有關 BCS 超導機理的漫畫：單翅蜜蜂代表單個電子，下方為蜂窩狀的碳 60 系列超導體。題曰：「單行苦奔遇阻力，雙結生翅成超導」（來源：《現代物理知識》24 卷第 2 期，總 140 期）

對於庫珀對來說，十分重要的是所有電子都具有被稱為量子「自旋」的屬性，它使電子的行為就好像每個電子有一個小的條形磁鐵穿過一樣。在大多數超導體中，成對電子的量子自旋方向是單一的——其中一個電子目標向上，而它的夥伴目標向下。這種對立的配對模式被稱為「自旋單重態」。

然而，已知的超導體中有一小部分是不墨守成規的，UTe2似乎就是其中之一。該化合物中的庫珀對擁有三種不同組合的自旋方向，使它們成為「自旋三重態」。這三種組合可以讓庫珀對的旋轉方向相同（平行），而不是相反。大多數自旋三重態的超導體都被預測為「拓撲超導材料」，其具有非常實用的特性，可以在有外界干擾的情況下，保持材料表面的超導性。

Butch 表示：「這些平行的自旋對可以幫助量子計算機保持功能，使其不會因為量子漲落而自發地崩潰。」

偶然得到的發現成果

到目前為止，所有的量子計算機都需要一種方法來糾正它們受到周邊環境影響而帶來的誤差。超導材料作為量子計算機元件的基礎，長期以來一直被認為具有普遍優勢，近年來關於量子計算機研發的幾個商業進展都涉及由超導體製成的電路。而拓撲超導材料的特性（可以用在量子計算機上的），將具有不再需要量子誤差矯正的額外優勢。

「我們想要一種拓撲超導材料，原因是它能給人們提供沒有錯誤的量子比特。同時，它們的使用壽命可能會很長。」Buthc 說，「拓撲超導材料是量子計算的替用路線，因為它們將保護量子比特不受周圍環境影響。」

其實，關於UTe2的新進展是在研究團隊探索鈾基磁鐵時偶然發現的，這種磁鐵的電子性能可以根據需要，通過改變化學成分、壓力或磁場來調整——當你想要定製材料時，這是一個很有用的特性。值得注意的是，雖然是鈾基材料，但上述參數沒有一個是基於放射性的。這種材料中含有「貧化鈾」，但只有輕微的放射性，使用UTe2製造的量子比特元件會很小，很容易被計算機的其他部分所屏蔽。

圖 | UTe2的晶體結構及相關材料數據（來源：The Materials Project）

研究人員在實驗之前並沒有預料到該化合物擁有他們現在所發現的價值。Butch 說：「UTe2最早出現於 20 世紀 70 年代，甚至連近期的相關研究文章也將其描述得平談無奇。我們在合成相關材料時碰巧製造了一些UTe2，所以就順手在低溫下測試了它，看看是否有什麼現象可能被人們忽略了。結果我們很快就意識到，我們手上有非常特別的東西。」

因此，NIST 的研究團隊便開始使用中子研究中心和馬里蘭大學的專業設備來探索UTe2。他們發現其在低溫條件下（低於 271.5℃ 或 1.6K）會變成超導體，而且它的超導特性十分罕見，擁有超導性的同時也具有鐵磁性——就像低溫永磁體一樣。然而，奇怪的是，UTe2本身並不是鐵磁性的。

「僅僅因為這個原因，就從根本上賦予了UTe2新的意義。」Butch 表示。

UTe2對磁場也有很強的抵抗力。通常情況下，磁場會破壞材料的超導性。但取決於磁場作用的方向，UTe2可以承受高達 35 特斯拉的磁場。這是一個典型冰箱磁鐵強度的 3500 倍，比大多數低溫拓撲超導材料所能承受的強度也要高許多倍。

雖然截至目前，研究團隊還沒有確切證明UTe2是一種拓撲超導材料，但 Butch 認為這種對強磁場的特殊電阻性能意味著它一定是一種擁有自旋三重態的超導材料。因此，它也很可能是一種拓撲超導材料。這種電阻特性可以幫助科學家理解UTe2的本質，也許還能幫助理解超導性本身。

「進一步的探索可能會讓我們深入了解是什麼穩定了這些平行的自旋超導電子，」Butch 說，「超導材料研究的一個主要目標就是要更好地理解超導性本身，以便讓科學家知道去哪裡尋找尚未被發現的超導材料，而現在這是我們還做不到的。至於它們是必不可少的么？我們希望這種材料可以告訴我們更多。」

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參考：

http://dx.doi.org/10.1126/science.aav8645

https://www.nist.gov/

https://www.eurekalert.org/emb_releases/2019-08/nios-nsm080919.php

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