新发现的超导体材料可能是量子计算机的硅

美国国家标准技术研究院(NIST)出土了一种潜在的用于构建量子计算机的材料，该研究所的科学家发现了一种超导体，它可以避开阻碍有效量子逻辑电路的主要障碍之一。

复合二碲化铀或UTe2的新发现的特性表明，它可以证明对量子计算机发展的一大利器具有很高的抵抗力-制造这种称为qubits的计算机的存储开关的功能很难起作用，足以完成一个计算，然后再失去微妙的物理关系，使它们无法作为一个小组工作。由于周围世界的干扰，这种关系称为量子相干性，很难维持。

该化合物对磁场的异常强烈的抵抗力使其成为超导(SC)材料中的稀有鸟类，这为量子位设计提供了独特的优势，主要是因为它们具有对误差的抵抗力，而这些误差很容易进入量子计算。研究团队的尼克·布奇(Nick Butch)表示，UTe2的出色行为可能使其对新生的量子计算机产业有吸引力。

NIST中子研究中心(NCNR)的物理学家Butch说：“这可能是量子信息时代的硅。” “您可以使用二碲化铀来构建高效量子计算机的量子位。”

该小组的研究结果(其中还包括马里兰大学和艾姆斯实验室的科学家)今天发表在《科学》杂志上。他们的论文详细介绍了UTe2的罕见特性，从技术应用和基础科学的角度来看，这都很有趣。

其中一种是通过UTe2传导电子的电子与众不同的方式。在铜线或其他普通导体中，电子作为单个粒子传播，但在所有SC中，它们形成所谓的库珀对。导致这些配对的电磁相互作用是材料超导性的原因。这种超导性的解释是根据发现配对的三位科学家(并因此获得诺贝尔奖)而命名为BCS理论。

对于这种库珀配对特别重要的是所有电子都具有的特性。它被称为量子“自旋”，使电子的行为就像每个电子都有一个穿过它的小条形磁铁一样。在大多数超导体中，成对的电子具有单一方向的量子自旋-一个电子指向上方，而其伙伴指向下方。这种相反的配对称为自旋单线态。

但是，少数已知的超导体是不符合标准的，而UTe2似乎属于其中之一。他们的库珀对可以将自旋定向为三种组合之一，从而使它们旋转三胞胎。这些组合允许库珀对自旋平行排列，而不是相对排列。预计大多数自旋三重态SC也是“拓扑” SC，具有非常有用的特性，其中超导电性将出现在材料表面，即使面对外部干扰也将保持超导。

布奇说：“这些平行的自旋对可以帮助计算机保持功能。” “它不会因为量子波动而自发崩溃。”

到目前为止，所有量子计算机都需要一种方法来纠正从其周围蔓延的误差。长期以来，人们一直认为SC具有作为量子计算机组件基础的一般优势，并且量子计算机开发中的一些最新商业进展涉及由超导体制成的电路。量子计算机可能会使用的拓扑SC的属性将具有不需要进行量子错误校正的额外优势。

“我们想要一个拓扑SC，因为它可以为您提供无错误的量子位。它们的寿命可能非常长，” Butch说。“拓扑SC是量子计算的另一种方法，因为它们可以保护量子位免受环境的影响。”

该团队在探索铀基磁体时偶然发现了UTe2，该磁体可以通过改变其化学性质，压力或磁场来根据需要调整其电子性能-当您需要可定制的材料时，这是一个有用的功能。(这些参数都不是基于放射性的。该材料包含的“贫铀”仅具有轻微的放射性。由UTe2制成的量子比特很小，可以很容易地被计算机的其余部分屏蔽。)

研究小组没想到该化合物具有他们发现的特性。

Butch说：“ UTe2最早是在1970年代创建的，甚至相当近期的研究文章都将其描述为非凡。” “我们在合成相关材料时碰巧制作了一些UTe2，因此我们在较低的温度下进行了测试，以查看是否可能忽略了某些现象。我们很快意识到我们手上有一些非常特别的东西。”

NIST团队开始使用NCNR和马里兰大学的专用工具探索UTe2。他们看到它在低温(低于-271.5摄氏度或1.6开尔文)下变得超导。它的超导性能类似于同时具有铁磁性的稀有超导体，其作用类似于低温永磁体。然而，奇怪的是，UTe2本身不是铁磁性的。

Butch说：“仅出于这个原因，UTE2便从根本上成为新产品。”

它还对磁场具有很高的抵抗力。通常，磁场会破坏超导性，但是根据施加磁场的方向，UTe2可以承受高达35特斯拉的磁场。它的强度是普通冰箱磁体的3500倍，是大多数低温拓扑SC可以承受的强度的许多倍。

尽管该团队尚未最终证明UTe2是拓扑SC，但是Butch说，这种对强磁场的不寻常抵抗力意味着它必须是自旋三重态SC，因此也可能是拓扑SC。这种抗性还可以帮助科学家了解UTe2的性质，也许还可以了解超导本身。

他说：“进一步研究可能使我们深入了解如何稳定这些并行旋转SC。” “ SC研究的一个主要目标是能够充分理解超导性，以使我们知道在哪里寻找未发现的SC材料。现在我们不能这样做了。它们是必不可少的吗?我们希望这种材料能够告诉我们更多。”