根据一个国际研究小组的说法，分层二维(2D)材料的新形式的异质结构可能使量子计算能够克服其广泛应用的关键障碍。

研究人员由宾夕法尼亚州立大学纳米科学中心(CNS)的一个团队领导，该中心是由美国国家科学基金会资助的美国19个材料研究科学与工程中心(MRSEC)之一。他们的工作于13月<>日发表在Nature Materials上。

普通计算机由数十亿个晶体管组成，称为位，由二进制代码控制(“0”=关闭，“1”=打开)。量子比特，也称为量子比特，基于量子力学，可以同时是“0”和“1”。这被称为叠加，可以使量子计算机比常规的经典计算机更强大。

然而，构建量子计算机存在一个问题。

“IBM，谷歌和其他公司正试图制造和扩展基于超导量子比特的量子计算机，”宾夕法尼亚州立大学物理学教授，该研究的通讯作者Jun Zhu说。“如何尽量减少经典环境的负面影响，导致量子计算机运行错误，是量子计算的关键问题。

这个问题的解决方案可以在称为拓扑量子比特的奇特版本的量子比特中找到。

“基于拓扑超导体的量子位有望受到超导性拓扑方面的保护，因此对环境的破坏性影响更加强大，”朱说。

拓扑量子比特与数学中的拓扑有关，其中结构正在经历物理变化，例如弯曲或拉伸，并且仍然保持其原始形式的属性。它是量子比特的理论类型，尚未实现，但基本思想是某些材料的拓扑性质可以保护量子态不受经典环境的干扰。

目前有很多人关注拓扑量子计算，根据物理学研究生，该研究的第一作者Cequn Li的说法。

“量子计算是一个非常热门的话题，人们正在考虑如何构建计算误差较小的量子计算机，”李说。“拓扑量子计算机是一种吸引人的方法。但拓扑量子计算的关键是为其开发合适的材料。

该研究的研究人员通过开发一种称为异质结构的分层材料，朝着这个方向迈出了一步。研究中的异质结构由一层拓扑绝缘体材料，碲化铋锑或(Bi，Sb)2特3，以及超导材料层镓。

“我们开发了一种特殊的测量技术来探测(Bi，Sb)表面的接近诱导超导性2特3电影，“朱说。“邻近感应超导性是实现拓扑超导体的关键机制。我们的工作表明，它确实发生在(Bi，Sb)的表面2特3影片。这是实现拓扑超导体的第一步。

然而，这种拓扑绝缘体/超导体异质结构很难创建。

“这通常并不容易，因为不同的材料有不同的晶格结构，”李说。“此外，如果你把两种材料放在一起，它们可能会发生化学反应，最终会得到一个混乱的界面。

因此，研究人员正在使用一种称为约束异质外延的合成技术，MRSEC正在探索该技术。这涉及在镓层和(Bi，Sb)之间插入一层外延石墨烯，这是一块或两个原子厚的碳原子片。2特3层。李指出，这使得这些层能够连接和组合，就像将乐高积木捕捉在一起一样。

“石墨烯将这两种材料分开并充当化学屏障，”李说。“所以，他们之间没有任何反应，我们最终得到了一个非常好的界面。

此外，研究人员证明，这种技术在晶圆级是可扩展的，这将使其成为未来量子计算的一个有吸引力的选择。晶圆是半导体材料的圆形切片，用作微电子学的基板。

“我们的异质结构具有拓扑超导体的所有元素，但也许更重要的是，它是一种薄膜并且具有潜在的可扩展性，”李说。“因此，晶圆级薄膜在未来的应用方面具有巨大的潜力，例如构建拓扑量子计算机。

这项研究是CNS的IRG1-2D极性金属和异质结构团队的共同努力，由Zhu和宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程教授Joshua Robinson领导。参与研究的其他教师包括Cui-Zu Chang，Henry W. Knerr早期职业教授和物理学副教授，以及化学和材料科学与工程助理教授Danielle Reifsnyder Hickey。

“这是我们MRSEC的IRG1团队的出色团队合作，”朱说。“Robinson小组使用约束异质外延生长了两个原子层镓膜，Chang组使用分子束外延生长了拓扑绝缘体膜，Reifsnyder Hickey小组和材料研究所的工作人员对异质结构和器件进行了原子尺度表征。

下一步是完善这一过程，并朝着将拓扑量子计算机变为现实迈出更进一步的一步。

“材料是关键，所以我们的合作者正在努力改进材料，”李说。“这意味着更好的均匀性和更高的质量。我们的团队正试图在这些异质结构上制造更先进的设备，以探测拓扑超导性的特征。

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