当前量子计算机的开发通常使用大众市场无法买到的奇异材料，从超冷超导体到使用激光脉冲用气体离子填充电子晶体。现在，这一切即将改变。
麻省理工学院（MIT）的研究人员表示，将铁磁体和拓扑绝缘体这两种低成本且丰富的固态材料结合起来，有望创建一条以模拟晶体管方式打开和关闭量子位的量子高速公路。
“铁磁性可以在体能隙带中打开微小的间隙，并改变拓扑绝缘体的电子结构，”在麻省理工学院李巨教授实验室工作的博士后研究员Cui-zu Chang 说。 “此外，它还实现了所谓的‘量子相变到量子反常霍尔态，其中耗散较小的手掌形导电通道开口正好位于零磁场下样品的边缘。”
因此，铁磁材料和拓扑绝缘体界面上的这些特性可能是创建“完美量子开关”——的关键，该开关可以用相对便宜的材料构建，并且仅需要少量能量即可运行，从而实现无摩擦量子位传播。
图中所示的堆叠结构中，黄色球体代表碲原子；浅蓝色球体代表锑铋；紫色球代表硫。带箭头的黑色球体代表掺杂原子；带箭头的绿色球体显示铕原子。各种颜色的箭头代表海森堡平面（橙色）中的不同相互作用——、超交换平面（绿色）之间的相互作用以及拓扑绝缘表面中的自旋极化态（蓝色）。
“多年来，我们研究了与此相关的各种主题。仅在表面/界面处建立磁性。最令人着迷的现象之一是磁绝缘体和超导体的邻近感应交流耦合。这种方法可以在（比地球磁场特斯拉强数十到数百万倍）。”麻省理工学院高级科学家贾加迪什穆德拉（Jagadeesh Moodera）表示，“由于拓扑绝缘体的表面起着最重要的作用，因此很明显，局部施加如此巨大的内部磁场会对其产生重要影响，但不会显着干扰材料的其他部分。”相反，这个界面域还打开了表面能隙带所需的交换间隙，无需使用非常昂贵且耗时的方法即可带来许多新颖的量子现象，即大量能量的外磁。”
将这两种材料结合起来，可以实现“量子位”和“超导体”行为的奇妙切换，为进一步研究带来希望，并揭示如何规避研究人员迄今为止对这两种现象使用的暴力。方式。也许无需使用昂贵的材料或昂贵的程序即可实现相同的结果。
自旋极化中子束（红色球体）入射到样品上，自旋分量（红色和蓝色球体）被收集在一起。
“现在我们可以自由地操纵界面附近的磁序。小间隙开口将使拓扑绝缘体表面的电子态表现得像半导体，因此可以用于半导体工业，”张解释道：“尽管对于量子计算机，利用附近的效应操纵电子态，可能导致被称为“马约拉纳费米子”的纠缠电子态，它可以在量子位中用于创建量子计算机的构建块。
“马约拉费米子”是意大利物理学家埃托雷马约拉纳于1937年提出的假说。每一个新粒子都是它自己的反粒子。假设“大费米子”以准粒子激发的形式存在于超导体中，开启了量子位沿拓扑绝缘体表面无摩擦传导的可能性。
需要更多的后续研究来证实这些结果并实际构建超导量子晶体管。然而，麻省理工学院的11 名研究人员，其中包括来自美国国家标准与技术研究所、布鲁克海文国家实验室、东北大学和波士顿学院的科学家，并不担心未来的挑战。事实上，为了尽快实现梦想，他们已经启动了下一阶段的研究。
“接下来的步骤有两个方面。一是基础研究：我们想利用这种磁性来创造其他新的磁序，比如二维自旋液体，这可能对解释高温超导体非常有帮助，”张说，“另一方面是应用。我们正在努力提高日常应用的室温性能。”
这种“近磁”效应及其打开的微小能隙创造了构建量子晶体管所需的特性，使它们能够打开和关闭沿拓扑绝缘体表面流动的量子位的自旋编码。该校博士生李明达表示，这些受拓扑绝缘体启发的新结构可能成为未来量子计算机的构建模块。
该研究由美国国家科学基金会（NSF）、海军研究办公室和能源部资助。
