代爾夫特理工大學的研究人員最近開展了一項研究調查Majorana納米線中自旋軌道相互作用的研究。他們的研究發(fā)表在物理評論快報上，是第一個清楚地展示出能夠創(chuàng)造難以捉摸的Majorana粒子的機制，這種粒子可能成為更穩(wěn)定的量子計算機的構建模塊。

“我們的研究旨在對理論上提出的Majorana零模式進行實驗驗證，”進行這項研究的研究人員之一Jouri Bommer通過電子郵件告訴Phys.org。“這顆顆粒是它自己的反粒子，特別令人感興趣，因為它預計可用于開發(fā)拓撲量子計算機。”

量子計算是計算機科學的一個有前途的領域，它探索使用量子力學現(xiàn)象和量子態(tài)來存儲信息和解決計算問題。在未來，量子計算機可以解決傳統(tǒng)計算方法無法解決的問題，例如，能夠對新藥物和分子進行計算和確定性設計。

盡管這些計算機具有顯著的優(yōu)勢，但是大多數(shù)量子計算方法都受到對噪聲的敏感性，這被稱為“退相干”。因此，研究人員開發(fā)出一種新型的量子計算機，它依賴于Majorana粒子，這些粒子本身就可以防止噪音。這種“拓撲”保護需要超導性，這種現(xiàn)象允許無耗散的電流。

“通過將量子信息編碼到Majorana零模式的拓撲屬性中，可以從基本設備級別解決退相干誤差/問題，”Bommer解釋說。“這種新穎的系統(tǒng)本質上可以防止噪音，這是一個困擾量子計算的替代方法的問題。對噪音的拓撲保護很像將信息存儲在繩索中的結：通過輕微搖動繩索，結將不會被解除“。

Majoranas的產生依賴于磁場，磁場通常與超導性不相容; 對Majoranas的明確要求?？朔@種限制的一種解決方案是利用電子運動與其內部“磁體”的相互作用，這種現(xiàn)象稱為自旋 - 軌道相互作用。在這種相互作用的存在下，材料不會強烈地感受到Majoranas所需的磁場，從而實現(xiàn)超導性。

“以前的研究已經顯示出支持Majorana零模式存在的特征，盡管到目前為止，關于這些實驗特征是否可以被其他物理現(xiàn)象模仿還存在相當大的爭議，”Bommer解釋道。“在我們最近的出版物中，我們采用不同的方法并研究創(chuàng)建Majorana零模式的先決條件。為了創(chuàng)建Majorana，我們需要一種本質上具有自旋軌道相互作用的半導體納米線，我們將其耦合到超導材料到使超導“泄漏”到半導體納米線中。“

到目前為止，大多數(shù)研究都假設在實驗中存在自旋 - 軌道相互作用，這些實驗證明了Majorana模式的證據(jù)。盡管如此，還沒有人研究過這種相互作用在超導體和半導體Majorana線中的影響，這對于創(chuàng)建這些模式至關重要。

“在我們的研究中，我們揭示了這種效應并直接測量了這種自旋 - 軌道相互作用及其強度，”Bommer說。“我們通過研究各種不同方向的磁場對超導性的影響來實現(xiàn)這一目標。”

通常，磁場通過閉合超導能隙來抑制超導性。當磁場指向特定方向時，自旋軌道相互作用抵消了這種抑制。因此，在他們的電子傳輸實驗中，研究人員需要更強的磁場來彌補這一差距。

通過進行理論計算并將它們與實驗數(shù)據(jù)進行比較，Bommer和他的同事可以估計自旋 - 軌道相互作用的強度。這個非常重要的參數(shù)以前在拓撲量子計算應用系統(tǒng)中是未知的。

“我們的觀察結果表明，旋轉 - 軌道相互作用是創(chuàng)建Majorana模式的基本要素之一，它存在于系統(tǒng)中，因此支持先前已觀察到的Majorana模式的特征，”Bommer解釋說。“此外，觀測到的自旋軌道相互作用保護超導性的物理學正是最終導致拓撲量子計算機預期的噪聲彈性(即拓撲保護)的物理學。”

Bommer及其同事進行的這項研究表明，超導和自旋軌道相互作用可以同時存在，揭示了自旋軌道相互作用保護Majorana納米線超導性的機制。他們的觀察表明，這種材料系統(tǒng)的更先進的實現(xiàn)也應該受益于量子信息的自旋軌道保護，并且估計的自旋軌道強度為量子計算電路的設計提供了重要的輸入。

研究人員正在計劃進一步研究，旨在使用改進的材料系統(tǒng)為Majorana零模式尋找新的實驗特征。例如，他們已經將NbTiN超導體改為薄鋁層，這提供了更好的超導性。

“我們也在尋找同時觀察電線兩端的Majorana粒子，這是一個強烈的論據(jù)，聲稱觀察真正的Majorana模式，”Bommer說。“我們正在努力的這些改進也需要實現(xiàn)我們創(chuàng)造一個使用Majorana粒子作為構建塊的量子計算機的雄心。這些近期的實驗不僅將作為拓撲量子位的中間步驟，而且還將顯示Majorana物理學。一個更基本的方面。“