加州大学河滨分校和麻省理工学院的一个联合科学家小组正越来越接近于证实：一种名为马约拉纳费米子奇异量子粒子的存在，这种粒子对容错量子计算至关重要，容错量子计算是一种量子计算方法，可以解决运行过程中的错误。量子计算使用量子现象来进行计算，马约阿纳费米子存在于被称为拓扑超导体的特殊超导体边界上。拓扑超导体的内部有一个超导隙，而外部边界上有一个马约阿纳费米子。
马约阿纳费米子是量子物理学中最受欢迎的对象之一，因为它们是自己的反粒子，它们可以将电子的量子态一分为二，而且它们遵循的统计数据与电子不同。尽管许多人声称已经发现了它们，但科学家仍无法证实它们奇特的量子性质。加州大学和麻省理工学院的研究团队克服了这一挑战，开发了一种新的，基于金的异质结构材料系统。
该系统可能被用来证明马约拉纳费米子的存在和量子性质。异质结构材料是由截然不同的材料层组成，与各自的层相比，这些材料在一起表现出完全不同的功能。物理学和天文学助理教授、凝聚态物质实验学家彭伟(音译)与麻省理工学院的Jagadeesh Moodera和Patrick Lee共同领导了这项研究。
一种材料需要满足几个严格的条件才能成为拓扑超导体。马约拉纳费米子被认为是电子的一半，预计将在拓扑超导体纳米线的末端发现。有趣的是，两个马约纳费米子可以结合起来组成一个电子。使得电子的量子态可以非本地存储——这对于容错量子计算来说是一个优势。麻省理工学院(MIT)理论学家预测，在严格的条件下，金的异质结构可以成为拓扑超导体。
由UCR-MIT团队所做实验已经达到了金的异质结构所需要的所有条件。实现这样的异质结构要求很高，因为首先需要解决几个材料物理方面的挑战。研究表明，超导性、磁性和电子的自旋轨道耦合可以在金中共存（这是一个很难遇到的挑战）并且可以通过异质结构与其他材料手工混合。超导性和磁性通常不会在同一种材料中共存，金不是超导体，它表面的电子态也不是。
同时研究首次表明，超导性可以被带到金的表面状态，这需要新的物理学。证明了使金的表面状态成为超导体是可能的，这在以前从未被证明过，研究还表明，金表面状态的超导电子密度是可以调谐的。这对于马约阿纳费米子的未来操控很重要，这是更好的量子计算所必需。此外，黄金表面状态是一个自然可伸缩的二维系统，这意味着它允许建造马约阿纳费米子电路。
博科园｜研究/来自：加州大学河滨分校
参考期刊《物理评论快报》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.247002
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