一项近期研究揭示了电流在量子超导体中流动的显著行为，这可能会推动量子计算等技术的进步。
一项近期研究揭示了电流在超导体中流动的显著行为，这可能会增强未来控制量子信息处理的技术。
这项研究由印第安纳大学布卢明顿分校艺术与科学学院物理学教授巴巴克·塞拉谢和印度理工学院坎普尔的理论物理学家雷卡·库马里和阿里吉特·昆杜共同撰写。尽管这项研究是理论性的，研究团队通过数值模拟验证了他们的发现。该研究发表在物理学领域的领先期刊《物理评论快报》上，集中研究“弗洛凯特·马约拉纳费米子”及其对一种称为约瑟夫森效应的现象的影响。这项探索可能使驱动量子系统中的动力学实现更精确的控制。
量子计算的潜在进展
构建全规模的量子计算机面临一个主要问题：不稳定性。这种不稳定性主要来自“量子退相干”，这是一个过程，其中量子比特（或量子位）由于环境干扰，例如温度变化或电磁噪声，失去其敏感的量子状态。
量子比特可以通过各种物理系统创建，包括被困的离子、光学阵列或超导体——在接近绝对零度时可以无能量损耗导电的材料。然而，保持量子计算机足够冷以维持稳定性是耗能的；如果量子比特升温，它们的稳定性会降低，导致错误增加。
解决这一问题的一个潜在方案是寻找“室温超导体”，这被视为超导性领域的终极目标。在接近室温（约20-25摄氏度或68-77华氏度）下实现超导性可能会彻底改变技术，能够实现无损耗的电力传输，极大提高电子效率和密码学安全性。
塞拉谢教授和他的团队通过以非地方性的方式编码量子信息来应对退相干的挑战，将其分布在更大的空间区域，从而使其不易受到局部噪声和干扰的影响。
为什么“弗洛凯特·马约拉纳费米子”对量子计算很重要？
马约拉纳费米子以意大利物理学家厄托尔·马约拉纳命名，是显示出异常行为的亚原子粒子；与大多数粒子不同，它们是自己的反粒子。宇宙中的每个粒子（如电子和质子）都有一个对应的反粒子，具有相反的电荷和相同的质量，这构成了宇宙结构的一个基本方面。
2000年，数学家和物理学家阿列克谢·基塔耶夫提出，马约拉纳费米子不仅可以作为基本粒子存在，还可以作为特定材料（称为拓扑超导体）内的量子激发存在。这些超导体因其表面或边缘上独特、稳定的量子态而与常规超导体不同，这些量子态受到材料固有拓扑，或电子在量子层面运动的配置的保护。
拓扑超导体的表面态有助于其抵御干扰，这就是为什么它们在创造更稳定的量子计算机方面可能具有价值。这些专业的边缘态像马约拉纳费米子一样运行，而马约拉纳费米子在普通超导体中是不存在的。在理论上，可以利用马约拉纳费米子以非地方性方式存储量子信息，从而为保护量子比特免受退相干提供了一种手段。
塞拉谢教授和他的团队在“周期驱动”的超导体的特定背景下研究了马约拉纳费米子，意味着它们受到外部能源以稳定的节奏打开和关闭的影响。这种周期驱动改变了马约拉纳费米子的特性，导致“弗洛凯特·马约拉纳费米子”（FMFs）的出现。这些独特的费米子存在于在没有周期驱动的情况下无法实现的不同状态中，其行为随着循环的能源源变化而变化。维持FMFs及其产生的独特模式在很大程度上依赖于这种对超导体的周期驱动。
在普通导体中，电流需要施加电压才能在两个点之间流动。然而，一种称为“约瑟夫森效应”的独特量子隧道过程使电流能够在两个超导体之间流动，而无需施加电压。FMFs独特地影响这种约瑟夫森电流。在标准系统中，两个超导体之间的电流流动以一致的间隔重复。相反，FMFs显示出以一半的典型速率震荡的电流模式，创造出一种独特的特征，便于检测它们。
通过新方法调整电流
塞拉谢及其同事研究的重要发现是，约瑟夫森电流的强度—指示电流流动的程度—可以通过超导体的“化学势”这一属性进行调整。实质上，化学势充当了修改材料特性的拨号器，研究人员发现通过将其与外部能源的频率同步，他们可以实现改变。这一发现可能为科学家提供了对量子材料的新控制水平，并为量子信息处理的进步铺平道路，而在这里，以精确的方式操纵量子态至关重要。
认识到弗洛凯特·马约拉纳费米子具有独特、可控的属性可能会显著促进更快、更抗错误的量子计算机的发展。这些见解为全球研究人员提供了一个框架，以检测和研究驱动量子系统中的新属性。
