这幅艺术的描绘显示了电子分馏——其中强相互作用的电荷可以“分馏”成三部分——在分数量子反常霍尔相中。来源:Eric Anderson/华盛顿大学

华盛顿大学领导的一个团队通过检测分数取得了关键的量子计算突破半量子量子反常霍尔态半导体材料薄片，这可能有助于创造稳定、容错的量子比特。

量子计算可以彻底改变我们的世界。对于特定和关键的任务，它有望比今天的机器(从实验室的超级计算机到我们口袋里的智能手机)基础上的0或1二进制技术快得多。但发展量子计算机取决于建立一个稳定的量子比特网络——或量子位——来存储信息、访问信息并执行计算。

然而，迄今为止公布的量子比特平台都有一个共同的问题:它们往往很脆弱，容易受到外界干扰。即使是一个散失的光子也会引起麻烦。开发容错量子比特——它将不受外部扰动的影响——可能是应对这一挑战的最终解决方案。

由华盛顿大学的科学家和工程师领导的一个团队宣布，在这一探索中取得了重大进展。在6月14日《自然》杂志和6月22日《科学》杂志上发表的两篇论文中，他们报告说，在对半导体材料薄片(每片只有一层原子厚)的实验中，他们检测到了“分数量子反常霍尔”(FQAH)状态的特征。该团队的发现标志着在构建一种容错量子比特方面迈出了有希望的第一步，因为FQAH态可以承载任何子——一种只有一小部分电子电荷的奇怪的“准粒子”。某些类型的任意子可以用来制造所谓的“拓扑保护”量子比特，这种量子比特对任何小的局部干扰都是稳定的。

“这确实为未来研究分数激发的量子物理学建立了一个新的范式，”这些发现背后的首席研究员徐晓东说，他也是波音杰出物理学教授和华盛顿大学材料科学与工程教授。

FQAH态与分数量子霍尔态有关，霍尔态是存在于二维系统中的一种奇异的物质相。在这些状态下，电导率被限制在称为电导量子的常数的精确分数上。但是分数量子霍尔系统通常需要巨大的磁场来保持稳定，这使得它们在量子计算中的应用不切实际。FQAH状态没有这样的要求——根据研究小组的说法，它即使在“零磁场”下也很稳定。

要想拥有这样一种奇异的物质相，研究人员需要建造一个具有奇异性质的人工晶格。他们将半导体材料二碲化钼(MoTe2)的两个原子级薄片以相对较小的相互“扭曲”角度堆叠在一起。这种结构形成了电子的合成“蜂窝晶格”。当研究人员将堆叠的薄片冷却到绝对零度以上几度时，系统中出现了固有磁性。本征磁性取代了分数量子霍尔态通常需要的强磁场。研究人员使用激光作为探针，探测到FQAH效应的特征，这是在释放任意子的量子计算能力方面迈出的重要一步。

该团队还包括来自香港大学、日本国家材料科学研究所、波士顿学院和麻省理工学院的科学家，他们将他们的系统设想为一个强大的平台，以加深对任意子的理解，任意子与电子等日常粒子具有非常不同的特性。任意子是准粒子——或类似粒子的“激发态”——可以作为电子的一部分。在他们的实验系统的未来工作中，研究人员希望发现这种类型的准粒子的一个更奇特的版本:“非阿贝尔”任意子，它可以用作拓扑量子位。在这种量子态中，信息本质上是在整个系统中“扩散”的，并且可以抵抗局部干扰——这构成了拓扑量子比特的基础，也是当前量子计算机能力的一大进步。

“这种类型的拓扑量子比特将从根本上不同于现在可以创建的那些，”华盛顿大学物理学博士生埃里克安德森说，他是科学论文的主要作者和自然论文的共同主要作者。“非阿贝尔任意子的奇怪行为将使它们作为量子计算平台更加健壮。”

在研究人员的实验装置中同时存在的三个关键特性，使得FQAH状态得以出现:磁性:虽然MoTe2不是磁性材料，但当他们给系统加载正电荷时，一种“自发自旋秩序”——一种称为铁磁性的磁性形式——出现了。拓扑结构:系统内的电荷具有“扭曲带”，类似于M?bius条，这有助于使系统具有拓扑结构。相互作用:实验系统内的电荷相互作用强到足以稳定FQAH状态。

研究小组希望，使用他们的方法，非阿贝尔任意子等待被发现。

“观察到的分数量子反常霍尔效应的特征是鼓舞人心的，”华盛顿大学物理学博士生蔡佳琦说，他是《自然》论文的联合主要作者和《科学》论文的合著者。“系统中富有成果的量子态可以成为发现二维新物理的芯片实验室，也可以成为量子应用的新设备。”

“我们的工作为长期寻找的FQAH状态提供了明确的证据，”徐说，他也是分子工程与科学研究所，纳米工程系统研究所和清洁能源研究所的成员，都在华盛顿大学。“我们目前正在进行电输运测量，这可以为零磁场下的分数激励提供直接和明确的证据。”

该团队相信，通过他们的方法，调查和操纵这些不寻常的FQAH状态可以变得司空见惯-加速量子计算之旅。

引用:

“基于栅极控制的磁态编程”，Eric Anderson，范丰仁，蔡佳琪，William Holtzmann，谷口高志，渡边健二，肖迪，姚王，徐晓东，2023年6月22日，Science。DOI: 10.1126 / science.adg4268

“扭曲MoTe2中分数量子反常霍尔态的特征”，蔡佳琦，Eric Anderson，王chong，张晓伟，刘晓宇，William Holtzmann，张一农，樊凤仁，谷口隆，渡边健二，冉颖，曹婷，付亮，肖迪，姚王，徐晓东，2023年6月14日，Nature。DOI: 10.1038 / s41586 - 023 - 06289 - w

论文的其他共同作者是华盛顿大学物理系的William Holtzmann和Yinong Zhang;肖迪，王冲，张晓伟，刘晓宇，曹婷，华盛顿大学材料科学与工程系;香港大学和香港理论与计算物理联合研究所的范凤仁和王耀;日本国立材料科学研究所的Takashi Taniguchi和Kenji Watanabe;波士顿学院的冉瑛;以及麻省理工学院的Liang Fu。这项研究得到了美国能源部、空军科学研究办公室、美国国家科学基金会、香港研究资助委员会、裘槎基金会、腾讯基金会、日本科学促进会和华盛顿大学的资助。

格兰特数字:美国美国能源部:DE-SC0018171, DE-SC0019443, de - sc0012509空军科研室:FA9550-19-1-0390, fa9550 -21-1-0177国家科学基金:DMR-1719797, dge -2140004香港研究资助局:AoE/P-701/20，香港大学srfs2122 - 7s05日本科学促进会:19H05790, 20h00354,21h05233