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领跑在“量子高速路”上的中国战车
2013-09-24 20:56:54领跑在“量子高速路”上的中国战车
刘林森
我国科学家首次在实验中发现量子反常霍尔效应，引起国际物理学界巨大反响，人们在赞叹我国科学家为之付出的艰辛努力的同时，不免对实现量子反常霍尔效应起到关键作用的拓扑绝缘体产生了浓厚兴趣，那么拓扑绝缘体究竟是什么东西，它为何有如此神通广大的能耐？
寻找“马约拉纳费米子”
一台大型超级计算机如果进行运算，每天所耗费的电也许和一座小城市的总耗电量相当。但如果是在量子计算机上运算，不仅运算速度会上千倍地提高，耗电量也会减少到和一台普通台式机相当。世界上许多国家都有研制量子计算机的设想，但一直受制于未能发现自然界的一种神奇粒子——马约拉纳费米子。物理学家认为，任何粒子都有它的双胞胎兄弟，也就是它的反粒子。1937 年，意大利物理学家埃托雷·马约拉纳根据量子力学原理推断出，自然界中可能存在一类特殊的费米子，它是自己的反粒子。也就是说这种粒子“分身有术”，自己是自己的双胞胎兄弟。后来人们给它起了个名字叫“马约拉纳费米子”，显然它可以拥有量子的怪异特性，这正是科学家倍感兴趣的。
粒子世界有两大人丁兴旺的“家族”，即费米子和玻色子，它们分别是以物理学家费米和玻色的名字命名的。费米子家族的典型代表是电子，它存在于我们日常使用的各种电器中。玻色子家族最常见的代表是光子，也就是我们熟悉的光。如同一切电器的存在都依赖于电子这个费米子的存在，没有电子，就没有电器存在一样，拓扑量子计算也必须依赖“马约拉纳费米子”，因为只有这个反粒子即是自己本身的粒子，才可能使整个信息的存储成为一个整体。因此可以说，人类找到了“马约拉纳费米子”就仿佛找到了一把打开拓扑量子计算时代大门的钥匙。
神奇薄膜立下奇功
通常，粒子和反粒子不能共存，电子和正电子可以互相湮灭，晶体中的电子也可以掉入空位，从而都消失了。现在物理学家正在努力让粒子和反粒子结合起来形成一种新材料即拓扑绝缘体，并且试图把超导体和仅能在表面上产生电的拓扑绝缘体材料结合起来，当二者结合在一起时，在其界面会产生一种特殊的电场结构，这个电场结构可以阻止电子掉入空位，避免湮灭，从而允许“马约拉纳费米子”形成。
马约拉纳费米子
近年来，随着拓扑绝缘体的问世，国际上掀起了新一轮的在实验中追寻“马约拉纳费米子”的竞赛，一些理论物理学家提出了多个“马约拉纳费米子”可能“藏身”的材料体系。最终，我国科学家薛其坤院士率领的团队经过近4 年的努力，终于找到了能够发现量子反常霍尔效应的新材料。他们利用分子束外延方法，不仅生长出了高质量的拓扑绝缘体，而且又制备出精确的不依赖于载流子类型和浓度的铁磁性拓扑绝缘体薄膜，这种特殊的薄膜厚度只有一根头发丝的一万分之一。通过精确控制，将所需材料的原子一层层垒起来，达到产生“马约拉纳费米子”的必需要求，这种神奇的薄膜为成功发现量子反常霍尔效应立下了汗马功劳。
拓扑绝缘体原理图
拓扑量子纠错
量子计算机由于其超越经典计算机极限的强大并行运算能力，成为21 世纪量子物理学家们梦寐以求的目标。然而，学术界公认的长期困扰其物理实现的最大问题“消相干效应”——由于量子计算机不可避免地与环境耦合而产生的各种噪声从而使计算过程产生各种错误——一直没有得到很好的解决。国际上以往提出的众多量子纠错方案中，一般采用对每一步逻辑操作都进行量子纠错的方法。这样，为了可扩展量子计算能够有效进行，要求每一步逻辑操作的错误发生率都不得高于10-5量级，而这么低的容错率是目前任何实验手段都无法实现的。
近年来，学术界提出了拓扑量子纠错这一全新概念，把量子态的拓扑性质应用于量子纠错过程中，从而将量子纠错中可容忍的最高逻辑操作错误发生率达到10-2量级。拓扑量子纠错方案大大降低了对操作精度的要求，达到了现有实验技术可以实现的水平，是目前已知拥有最高容错率的量子计算方案，使得可扩展容错性量子计算在现实条件下成为可能。科学家所采用的技术就是“拓扑量子计算”。科学实验证实，在拓扑量子计算的过程中可以完全纠正出现在任意量子比特上的单比特错误，而且当每个量子比特都以相同概率发生错误时，受保护的量子关联的有效错误率会大大降低。这项工作在实验上迈出了可扩展容错性量子计算的第一步，在量子计算领域具有里程碑式的意义，它将有力地推动量子计算的发展，为将来成功实现真正的量子计算打下坚实的基础。
发展前景广阔
从寻找“马约拉纳费米子”到精心制备“神奇薄膜”，科学家迎来了成功的喜悦。拓扑绝缘体表面能导电而内部却绝缘，这是因为其内部电子自旋与电子自身的运动相互耦合，迫使电子围绕一个点旋转而不能穿越整块材料，这样就无法导电。但在材料边缘，电子没有足够空间旋转运动，被迫沿着表面呈半圆形跳跃，由此变得能够导电。拓扑绝缘体由于具有奇异量子特性而成为近年来物理学的重要科学热点及前沿之一，其最重要的特性是其基本性质是由“量子力学”和“相对论”共同作用的结果。由于自旋轨道耦合作用，这种电子运动的规律性如同高速公路上行驶的汽车一样，正向与反向行驶的汽车分别走不同的道路，互不干扰。处于这样有序运动状态的电子不会相互碰撞，因此能耗很低，这种世界IT 业界梦寐以求的特性是其它材料所不具备的。
展望未来，信息行业的发展完全得益于过去五六十年的基础物理的发现，如今芯片越来越小，散热问题却无法解决，已构成阻碍信息业技术发展的瓶颈。而拓扑绝缘体独领风骚，其独特性能决定了它将在信息业中获得重要应用，并且正在从科学预言变为商业技术。科学家之所以看好拓扑绝缘体的发展前景，是因为这种材料不但对理解凝聚态物质基本物理有着重要意义，而且让人们对制造未来新型的计算机芯片等元器件充满了期待，由此有可能将信息社会带到更高层次，甚至会引领一场席卷全球的产业革命。
