一個國際研究小組發現，一種由分層二維（2D）材料組成的新型異質結構可以幫助克服廣泛使用量子計算的主要障礙。這項研究發表在《自然材料》雜誌上，由賓夕法尼亞州立納米科學中心（CNS）的一個團隊進行，該中心是美國國家科學基金會支持的19個材料研究科學和工程中心（MRSEC）之一。

分層二維材料的異質結構的形成，設想為樂高式積木鎖在一起。資料來源：Elizabeth Floresgomez Murray

普通計算機由數十億個晶體管組成，被稱為比特，並由二進制代碼（”0″=關閉，”1″=打開）支配。量子比特，也被稱為量子比特，是基於量子力學的，可以同時是”0″和”1″。這被稱為疊加，可以使量子計算機比常規的、經典的計算機更加強大。

然而，打造量子計算機有一個問題。

賓夕法尼亞州立大學物理學教授、該研究的通訊作者朱俊說：”IBM、Google和其他公司正在試圖製造和擴大基於超導量子比特的量子計算機。如何將經典環境的負面影響降到最低，因為經典環境會導致量子計算機的運行出現錯誤，這是量子計算的一個關鍵問題。”

這個問題的解決方案可能在一種被稱為拓撲量子比特的異國版本中找到。

朱說：”基於拓撲超導體的量子比特有望受到超導性的拓撲方面的保護，因此對環境的破壞性影響更加強大。”

拓撲量子比特與數學中的拓撲學有關，即一個結構正在經歷物理變化，如被彎曲或拉伸，但仍保持其原始形式的屬性。這是一種理論類型的量子比特，尚未實現，但其基本思想是，某些材料的拓撲特性可以保護量子狀態不受經典環境的干擾。

物理學研究生和該研究的第一作者Cequn Li說，目前有很多人關注拓撲量子計算。

李說：”量子計算是一個非常熱門的話題，人們正在考慮如何建立一種計算中誤差較小的量子計算機。拓撲量子計算機是一種吸引人的方式。但拓撲量子計算的一個關鍵是為它開發合適的材料。”

該研究的研究人員通過開發一種稱為異質結構的層狀材料，在這個方向上邁出了一步。該研究中的異質結構由一層拓撲絕緣體材料，鉍銻碲化物或（Bi,Sb）2Te3，和一個超導材料層：鎵組成。

朱說：”我們開發了一種特殊的測量技術來探測（Bi,Sb）2Te3薄膜表面的近距離誘導超導性。近距離誘導超導性是實現拓撲超導體的一個關鍵機制。我們的工作表明，它確實發生在（Bi,Sb）2Te3薄膜的表面。這是朝著實現拓撲超導體邁出的第一步”。

然而，這樣的拓撲絕緣體/超導體異質結構很難創建。因為不同的材料有不同的晶格結構。如果你把兩種材料放在一起，它們可能會相互發生化學反應，最後會出現混亂的界面。

因此，研究人員正在使用一種被稱為約束異質外延的合成技術，該技術正在MRSEC進行探索。這涉及到在鎵層和（Bi, Sb）2Te3層之間插入一層外延石墨烯，它是一層一到兩個原子厚的碳原子片。這使這些層能夠銜接和結合，就像把樂高積木扣在一起一樣。

李說：”石墨烯將這兩種材料分開，並作為一個化學屏障。因此，它們之間沒有反應，我們最終得到了一個非常好的界面。”

此外，研究人員證明了這種技術在晶圓水平上是可擴展的，這將使它成為未來量子計算的一個有吸引力的選擇。晶圓是一種圓形的半導體材料切片，作為微電子的基底。

這種異質結構具有拓撲超導體的所有元素，但也許更重要的是，它是一種薄膜，而且可能是可擴展的。因此，晶圓規模的薄膜在未來的應用上有很大的潛力，例如建立拓撲量子計算機。

這項研究是CNS的IRG1-二維極地金屬和異質結構團隊的聯合努力，由朱俊和賓夕法尼亞州立大學材料科學和工程教授Joshua Robinson領導。參與這項研究的其他教師包括亨利-W-克納爾早期職業教授和物理學副教授張翠珠，以及賓夕法尼亞州立大學材料科學和工程學院助理教授Danielle Reifsnyder Hickey。