科學家們使用世界上最強大的量子顯微鏡之一發現了一個可能對未來計算產生重大影響的問題。科克大學學院（UCC）宏觀量子物質小組實驗室的研究人員在一種新型、不尋常的超導體二碲化鈾（UTe2）中發現了一種空間調製超導狀態。這種新型超導體可能為量子計算的最大挑戰之一提供解決方案。

他們的發現最近發表在著名的《自然》雜誌上。

喬-卡羅爾（Joe Carroll）是科克大學宏觀量子物質小組實驗室量子物理學教授塞繆斯-戴維斯（Séamus Davis）的一名博士研究員，也是一篇論文的第一作者，他發現了一種新型不尋常超導體二碲化鈾（UTe2）中的空間調製超導狀態。資料來源：Clare Keogh/UCC

突破性發現

第一作者喬-卡羅爾（Joe Carroll）是與UCC 量子物理學教授塞繆斯-戴維斯（Séamus Davis）合作的博士研究員，他解釋了論文的主題。

“超導體是一種神奇的材料，具有許多奇特和不尋常的性質。最著名的是，它們能讓電流以零電阻流動。也就是說，如果你將電流通過它們，它們不會開始發熱，事實上，儘管承載著巨大的電流，它們也不會耗散任何能量。 它們之所以能做到這一點，是因為在金屬中移動的不是單個電子，而是結合在一起的成對電子。這些電子對共同形成了宏觀量子力學流體”。

“我們的團隊發現，一些電子對形成了一種新的晶體結構，嵌入到這種背景流體中。這些類型的狀態是我們小組在2016年首次發現的，現在被稱為電子對密度波。這些電子對密度波是一種新形式的超導物質，我們仍在探索其特性。”

“對我們和更廣泛的群體來說，尤其令人興奮的是，UTe2似乎是一種新型超導體。近40 年來，物理學家一直在尋找這樣一種材料。電子對似乎具有內在角動量。如果這是真的，那麼我們探測到的就是第一個由這些奇異電子對組成的對密度波”。

對量子計算的實際影響

當被問及這項工作的實際意義時，卡羅爾先生解釋道；

“有跡象表明，UTe2 是一種特殊的超導體，可能會對量子計算產生巨大影響。典型的經典計算機使用比特來存儲和處理信息。量子計算機依靠量子比特或量子比特來完成同樣的工作。現有量子計算機面臨的問題是，每個量子比特必須處於兩種不同能量的疊加狀態–就像薛定諤的貓既可以被稱為’死’貓，也可以被稱為’活貓’。這種量子態很容易被破壞，坍縮到能量最低的狀態–‘死’–從而切斷任何有用的計算。”

這給量子計算機的應用帶來了巨大限制。然而，自從五年前發現UTe2以來，人們對它進行了大量研究，有證據表明它是一種超導體，可以作為拓撲量子計算的基礎。在這種材料中，計算過程中的量子比特壽命不受限制，這為開發更穩定、更有用的量子計算機開闢了許多新途徑。事實上，微軟公司已經為拓撲量子計算投入了數十億美元，因此這已經是一門成熟的理論科學。

“科學界一直在尋找的是一種相關的拓撲超導體；UTe2 似乎就是這種超導體。我們的發現為UTe2提供了另一塊拼圖。要利用這樣的材料進行應用，我們必須了解它們的基本超導特性。所有的現代科學都是循序漸進的。我們很高興能為了解一種材料做出貢獻，這種材料可能會讓我們更接近更實用的量子計算機。”

結論與未來展望

科克大學研究與創新副校長John F. Cryan 教授向科克大學宏觀量子物質小組實驗室的研究團隊表示祝賀：

“這一重要發現將對量子計算的未來產生重大影響。未來幾週，科克大學將啟動”UCC Futures – 未來量子與光子學”項目，Seamus Davis 教授和宏觀量子物質小組領導的研究使用了世界上最強大的顯微鏡之一，將在這一激動人心的項目中發揮至關重要的作用”。