量子计算面临的最大障碍之一即将被攻克。荷兰乌得勒支大学和特温特大学的联合研究团队在Physical Review Letters上发表的最新成果显示,仅靠精确调控电场就能实现锗烯纳米带中拓扑量子态的可逆开关。

这一突破为构建抗噪声的量子比特提供了可行路径,有望解决困扰量子计算机规模化扩展的核心技术难题。研究人员通过扫描隧道显微镜精密操控探针与样品间距,在宽度仅2至4个六边形单元的超窄锗烯纳米带边缘,成功实现了零维拓扑态的可控切换。

这种拓扑保护态天然具备抗环境噪声能力,而无需依赖磁场或复杂装置,为扩展至百万量子比特级芯片扫清了道路。

锗烯是石墨烯的"近亲",由单层锗原子以略带波浪状的蜂窝晶格排列而成。与碳原子相比,锗原子更重,具有更强的自旋轨道耦合效应,这使得锗烯在拓扑量子材料领域展现出独特优势。当材料被切割成极窄的纳米带时,量子限域效应导致边缘出现特殊的电子态。

这些边缘态受拓扑不变量保护,即使存在杂质或缺陷,电子仍能沿边缘无损耗传输,不会被散射回去。这种稳定性正是量子计算梦寐以求的特性——传统量子比特极易受环境噪声干扰而丧失量子信息,而拓扑保护的量子态可以将退相干时间延长数个数量级。

从理论预言到实验验证

拓扑量子态的概念最早可追溯至20世纪80年代的量子霍尔效应研究。2016年,诺贝尔物理学奖授予了在拓扑相变和拓扑物质态领域做出开创性工作的三位科学家。

此后,全球研究者一直在寻找能够在室温或接近室温条件下实现拓扑态的材料平台。锗烯因其较大的拓扑能隙和相对简单的制备工艺,成为重点关注对象。但从材料本身存在拓扑态,到能够可控地操纵这些态用于信息处理,中间还隔着巨大技术鸿沟。

荷兰团队的创新在于将纳米带宽度缩减至极限,并发展出精密的电场调控方法。特温特大学的埃斯拉·D·范特韦斯滕德在研究声明中解释:"我们可以将这些拓扑终态完全置于电控制之下。通过改变扫描隧道显微镜和纳米带之间的距离,我们能够调节局部电场,真正实现量子态的开启或关闭。"这种调控方式的关键在于精度——探针尖端与样品表面的距离变化需要控制在亚纳米级别,电场强度的调节范围从每米数百万伏到数十亿伏。

实验观测到的现象令人着迷:在仅2个六边形宽的超窄纳米带中,低电场下可以清晰观察到边缘拓扑态的电子密度峰,但随着电场增强,这些峰逐渐消失。

而在4个六边形宽的较宽纳米带中,行为恰好相反——强电场激活了拓扑态,弱电场下则看不到信号。这种宽度依赖的反转行为起初令研究者困惑,但乌得勒支大学理论小组通过第一性原理计算揭示了机制:电场会改变纳米带的能带结构,使拓扑能隙的位置发生移动,不同宽度的纳米带对电场的响应曲线不同,导致最优工作点出现在不同场强区域。

实验技术的突破同样关键。团队首先在超高真空环境中制备锗烯纳米带阵列,这需要在特殊衬底上精确控制锗原子的沉积和退火过程。纳米带的宽度由锗原子在衬底台阶边缘的自组装行为决定,通过调整生长参数可以获得不同宽度的纳米带。

随后使用低温扫描隧道显微镜进行表征,工作温度需降至4开尔文以下以抑制热噪声。显微镜不仅能够获取纳米带的原子分辨形貌图像,还能通过扫描隧道谱技术测量局域电子态密度,识别出拓扑边缘态的能量位置和空间分布。

从基础研究到量子芯片

锗烯的性质与石墨烯类似，但它是由单层锗原子排列成略微波浪状的薄片构成。 特温特大学

这项工作是荷兰国家量子材料计划QuMat的重要成果。该计划汇集了荷兰多所大学和研究机构,旨在通过实验与理论的紧密结合,设计下一代量子材料和器件。特温特大学的潘特利斯·班普利斯博士评价道:"这个项目恰恰说明了我们为什么需要QuMat:实验组和理论组共同工作,为未来的量子器件设计新材料。"在该计划支持下,研究团队不仅实现了拓扑态的电场调控,还系统研究了锗烯纳米带的一维拓扑相变行为,发表在Nature Communications上的论文揭示了这类系统丰富的拓扑物理图景。

电场调控相比其他操纵手段具有明显优势。传统方法通常依赖磁场,但强磁场设备体积庞大、功耗高,难以集成到芯片中。光学方法虽然响应快,但需要复杂的光学系统,且难以实现纳米尺度的局域控制。电场调控则可以通过微纳加工技术集成在芯片上,利用栅极电压实现快速、精确的开关操作。这种兼容性对于构建大规模量子计算机至关重要——未来的容错量子计算机可能需要数百万个物理量子比特,只有采用可扩展的调控方式才有可能实现。

然而从当前的原理验证到实用化量子比特,还有许多挑战需要克服。首先是工作温度问题。目前的实验在液氦温度下进行,而实用的量子计算机需要在稀释制冷机的更低温度下运行,或者开发出能在更高温度工作的材料体系。锗烯的拓扑能隙约为几十毫电子伏,对应的特征温度在数百开尔文量级,理论上有提升工作温度的空间,但需要解决热激发导致的退相干问题。

其次是量子比特的编码和读取方案。拓扑边缘态只是构建量子比特的候选平台,如何在这些态中编码量子信息、如何实现量子门操作、如何高保真度读出量子态,都需要进一步研究。一种可能的方案是利用两个拓扑边缘态构成量子比特的两个逻辑态,通过调控它们的耦合强度实现量子门操作。另一种思路是利用拓扑态的非阿贝尔统计特性,构建马约拉纳零能模式,实现拓扑量子计算。

材料质量同样关键。虽然锗烯纳米带可以通过自组装方法制备,但其均匀性、边缘结构的完美程度、与衬底的相互作用等因素都会影响拓扑性质。研究团队在Nature Communications论文中报告,他们制备的锗烯纳米带阵列具有高度一致性,锯齿形边缘在原子尺度上保持完美,这为后续研究奠定了基础。但要达到工业生产要求,还需要开发更加可控的制备工艺和大规模集成技术。

量子计算竞赛的新赛道

全球量子计算的技术路线呈现多元化格局。超导量子比特和离子阱量子比特已经实现了数十至数百量子比特的原型系统,但它们都面临退相干时间短、纠错开销大的瓶颈。拓扑量子比特被视为可能突破这一瓶颈的颠覆性技术,但此前主要集中在马约拉纳费米子等奇特准粒子上,实验进展缓慢且存在争议。

锗烯纳米带提供了一条更加实际可行的路径。其材料体系相对简单,制备技术与现有半导体工艺兼容,拓扑性质已被充分证实。荷兰团队的工作证明了电场调控的可行性,这是实现可编程量子门操作的重要一步。更重要的是,这种材料平台具有良好的可扩展性——纳米带阵列可以通过自组装大面积生长,电场调控可以通过栅极电极实现空间选择性操作。

中国在拓扑量子材料研究方面同样活跃。清华大学薛其坤团队因发现量子反常霍尔效应获得2023年凝聚态物理最高奖,中国科学技术大学、北京大学等机构在拓扑超导、拓扑绝缘体等方向持续产出高水平成果。在量子计算国家战略中,拓扑量子计算被列为重点攻关方向之一,相关研究获得了稳定支持。

特温特大学和乌得勒支大学的这项工作目前仍属于基础研究范畴,但它为拓扑量子比特的实用化指明了方向。当研究者能够在芯片上集成大量锗烯纳米带,通过电场门控实现可编程的拓扑态操纵,并发展出高效的量子态读取方法时,一种全新的量子计算架构或许就会诞生。那时,量子计算机可能不再需要昂贵的纠错码,而是依靠拓扑保护实现本征的容错能力。这一愿景能否实现,取决于未来数年内材料、器件和系统层面的持续创新。但至少现在,通往拓扑量子计算的道路变得更加清晰了。

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