层状超导体表现出不寻常的特性具有量子计算的潜力

加州大学洛杉矶分校(UCLA)加州纳米系统研究所(CaliforniaNanoSystemsInstitute)的研究人员领导的团队设计了一种基于传统超导体的独特材料，即在特定条件下(例如极低温度)电子可以零阻力穿过的物质。这种实验材料的特性表明它可用于量子计算，这是一种正在发展的技术，其功能超越了传统数字计算机。

传统超导体通常在一定强度的磁场下失效。新材料在比传统超导体理论极限高得多的磁场下仍能保持超导特性。研究小组还测量了新材料在破坏超导性之前可以容纳多大的电流，从一个方向施加电流，然后从相反方向再次施加电流。研究人员发现，一个方向允许的电流明显高于另一个方向。这通常被称为超导二极管效应。相比之下，传统超导体在任一方向的相同电流下都会失去其零电阻特性。

量子计算机的运行基于控制亚原子粒子相互作用的反直觉规则。量子计算中的基本信息单位量子比特可以有多个值。而传统计算中的基本信息单位比特只能有两个值之一。

虽然量子计算机可以执行传统计算机无法完成的计算，但这项技术仍处于早期阶段，在实现其潜力之前仍有许多障碍需要克服。其中一个障碍就是量子比特的脆弱性。条件的微小变化都会导致量子比特失去其量子特性，而这种特性只能持续百万分之一秒。

研究人员推测，一种称为手性超导体的非传统超导体可能有助于提高量子位在执行程序步骤时保持准确性的能力。

加州大学洛杉矶分校领导的研究团队创建的具有交替层的晶格示意图。图片来源：Duan研究小组/加州大学洛杉矶分校

手性超导体和传统超导体都依赖于量子现象。电子对在一定距离处以纠缠状态连接在一起，纠缠状态对电子的性质施加了某些规则。在传统超导体中，为了遵守这些规则，纠缠电子会朝相反的方向移动，并以相反的方向旋转。在手性超导体中，纠缠电子可以朝同一方向旋转，并且它们必须遵守规则，这些规则使它们的运动关系变得极其复杂，这可能为调整电流流动或处理信息开辟新的可能性。

这种对比的结果是，传统超导体中电子的活动表现出手性超导体中被破坏的对称性，手性超导体更倾向于向一个方向流动，就像超导二极管效应中看到的那样。如今，只有少数化合物是手性超导的候选者，而且它们极其罕见。在目前的研究中，研究人员找到了一种定制材料的方法，使传统超导体像手性超导体一样工作。

加州大学洛杉矶分校领导的团队创​​建了一个具有交替层的晶格。一层由二硫化钽(一种传统超导体)制成，薄至三个原子。下一层由不同化合物的“左手”或“右手”分子层制成。研究人员测试了由他们的晶格制成的微型纳米级设备，以评估该材料是否表现出手性超导体的特性。

量子计算可能带来诸多创新，例如牢不可破的网络安全、超强人工智能和高保真现象模拟，从药物在体内的作用到城市交通的流动再到金融市场的波动。为了实现这些应用，量子计算机需要大幅提升其运行能力，尽管脆弱的量子比特可能会受到干扰。超导电路是许多量子计算方法的基础，而手性超导体实现的超导二极管效应有望用于创建更高效​​、更稳定的量子比特。

除了可用于量子计算之外，手性超导体的超导二极管效应还能使传统电子和通信技术运行速度更快，同时最大限度地降低能耗。这些特性特别适合特殊应用，例如在深空极低温度下工作的计算机。

由于手性超导体很难找到，因此利用更容易获得的成分(例如本研究报告的新型混合材料)来设计它们，可以帮助释放量子计算的潜力，同时推动电子设备的改进。

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