一个简单的化学小改动，能让量子计算机“火力全开”

芝加哥大学普利兹克分子工程学院与西弗吉尼亚大学的研究人员展示了一种实用方法，让拓扑超导材料变得触手可及。他们通过微调化学配方，改变材料内部大量电子的相互作用方式，引导材料进入拓扑超导态。

研究团队专注于由碲和硒两种元素制成的超薄膜。通过仔细调整这两种元素的比例，他们发现可以将材料从一种量子相推向另一种，其中就包括备受关注的拓扑超导相。他们的研究成果发表在《自然·通讯》上，表明改变碲与硒的比例会影响电子间的相互作用强度。这些电子关联就像一种微调机制，让科学家能有意识地设计出特殊的量子态。

该研究的第一作者、芝加哥大学分子工程学院研究生林浩然表示：“我们可以像调节旋钮一样调整这种关联效应。如果关联太强，电子会被冻结在原地；如果太弱，材料就会失去特殊的拓扑性质。但在恰到好处的水平时，就能得到拓扑超导体。”

该研究的资深作者、分子工程学助理教授杨硕龙说：“这为量子材料研究开辟了新方向。我们开发了一种强大的工具，用于设计下一代量子计算机所需的材料。”

研究的核心材料是铁碲硒化物，它是近年来被发现的，以兼具超导性和特殊拓扑行为而闻名。西弗吉尼亚大学物理学助理教授、该论文作者之一苏巴希什·曼达尔称：“这是一种独特的材料，它汇集了拓扑超导平台所需的所有关键要素：超导性本身、强自旋轨道耦合以及显著的电子关联。这种组合使其成为探索不同量子效应如何相互作用和竞争的理想系统。”

此前，科学家们以体块晶体的形式制备这种材料，并观察到了有趣的量子态。但体块晶体难以操控，且其化学成分可能因区域而异，难以获得一致的结果。

拓扑超导体对量子技术特别有吸引力，因为其拓扑态天然稳定，不易受破坏大多数量子系统的噪声影响。杨硕龙团队开发的超薄膜相比其他拓扑超导候选材料有几个优势：它们的工作温度高达13开尔文，而铝基平台约为1开尔文。这种更高的工作温度使其更容易用标准液氦系统冷却。此外，超薄膜比体块晶体具有更好的均匀性，且更兼容现代器件制造技术。

林浩然解释道：“如果想将这种材料用于实际应用，就需要能将其制备成超薄膜，而不是从成分可能不一致的晶体上剥离薄层。”目前已有多个研究团队与杨硕龙团队合作，对这些薄膜进行图案化并制造量子器件原型。同时，研究人员继续研究铁碲硒化物超薄膜的其他特性，以更好地了解其在下一代量子计算中的潜力。