牛津大学领导的一项研究开发出一种强大的新技术，用于寻找大规模容错量子计算所需的下一代材料。这可能终结数十年来对能够承载独特量子粒子的廉价材料的探索，最终促进量子计算机的大规模生产。

该研究结果已发表在《科学》杂志上。

量子计算机可以释放出远超现有超级计算机的空前计算能力。然而，由于与环境的相互作用会降低量子特性(即量子退相干)，量子计算机的性能目前受到限制。几十年来，物理学家一直在寻找能够抵抗量子退相干的材料，但实验证明，这一探索极具挑战性。

在这项新研究中，牛津大学戴维斯小组的研究人员展示了一种识别此类材料(称为拓扑超导体)的高效新技术。

拓扑超导体是一种前所未有的量子物质形式，可以承载被称为马约拉纳费米子的奇异量子粒子。

理论上，这些粒子可以将信息存储在其形状和结构(拓扑)中，而不是像通常那样存储在粒子本身的状态中。这意味着信息更加稳定，不受无序和噪声等局部扰动的影响。

因此，它们可以永久存储量子信息，而不会因限制当前量子计算机的量子退相干效应而降低其质量。

到目前为止，还没有有效的技术来明确确定给定的超导材料是否可以成为先进拓扑量子计算的平台。

在这项新研究中，牛津大学的研究人员证实，已知的超导体二碲化铀(UTe2 )是一种本征拓扑超导体。

自2019年被发现以来，UTe 2一直被认为是本征拓扑超导的主要候选材料。人们认为UTe 2中的电子对极其特殊，其自旋排列整齐，这是本征拓扑超导的必要条件，因此也构成了受拓扑保护的超导表面态。然而，迄今为止，尚无研究明确证明UTe 2中存在这些现象。

研究人员使用了扫描隧道显微镜(STM)，该显微镜使用原子级超导探针，无需使用光或电子束即可获得原子尺度的超高分辨率图像。实验采用了由Séamus Davis教授发明的全新操作模式(称为Andreev STM技术)。

该方法专门针对预计覆盖本征拓扑超导体表面的特殊量子态(拓扑表面态)的电子。

该方法实施后，其表现与理论完全一致，使研究人员不仅能够检测拓扑表面状态，还能识别材料固有的拓扑超导性。

结果表明，UTe 2确实是一种本征拓扑超导体，但并非物理学家一直在寻找的那种。尽管根据已报道的现象，人们认为这种材料中存在马约拉纳量子粒子，但它们是成对出现的，彼此无法分离。

然而，所使用的Andreev STM实验技术本身就是一项突破。这项新技术现在可以让物理学家准确、直接地确定其他材料是否具有本征拓扑超导性，从而为拓扑量子计算提供有前景的平台。

本征拓扑超导材料仍然是一项极具挑战性的研究，目前主要处于理论阶段，但该领域正在迅速发展。世界各地的研究人员正在积极探索潜在的候选材料以及利用其特性所需的技术。

今年早些时候，微软宣布推出“Majorana 1”，这是“世界上第一个由拓扑核心驱动的量子处理单元”，据称可承载拓扑量子比特。微软通过基于精心设计的传统超导体结构，创建了一种合成拓扑超导体，从而实现了这一设备。

然而，戴维斯小组的新研究意味着科学家现在可以找到简单的晶体材料来取代这种复杂且极其昂贵的人工电路，从而可能为下一代量子计算带来经济的拓扑量子比特。

牛津大学物理系教授 Séamus Davis 表示：“安德烈夫扫描隧道显微镜 (Andreev STM) 技术的发明、超导拓扑表面态的探测、本征拓扑超导性的识别以及对后者的精确分类，都是物理学领域的首创。这些技术的结合，可以极大地加速我们识别合适材料的能力，从而实现量子计算带来的革命。”

主要作者王淑秋博士(当时在牛津大学戴维斯研究小组工作，现任布里斯托大学助理教授)表示：“看到本征拓扑超导的第一个光谱特征真是令人兴奋。这一重大科学发现只有借助我们新发明的光谱技术才有可能实现。”

“我期待利用安德烈夫 STM 技术发现更多尚未揭示的内在拓扑超导体及其迷人而奇特的物理特性。”

这项研究还涉及加州大学伯克利分校、劳伦斯伯克利国家实验室、康奈尔大学、布里斯托大学、马里兰大学、华盛顿大学、科克大学和圣母大学的研究人员。

更多信息： 顾强强等，通过零能表面态可视化研究UTe2中的对波函数对称性，Science (2025)。期刊信息： Science