一次测量就能读出“马约拉纳链”的奇偶性

保护量子比特免受噪声干扰对于构建可靠的量子计算机至关重要。拓扑量子比特为实现这一目标提供了一种途径，它利用马约拉纳零模对进行非局域量子信息编码（马约拉纳零模是一种特殊的量子态，具有独特的物理特性，是构建拓扑量子比特的核心）。这些模式形成一个共享的费米子态，其占据数（即系统中费米子数量是偶数还是奇数）定义了编码量子比特的费米子宇称1（费米子宇称是描述费米子系统奇偶性的物理量，是拓扑量子比特存储信息的关键方式）。值得注意的是，这种宇称信息只有通过将两个马约拉纳零模相互耦合的测量才能获取。
实现此类量子比特的一个有前景的平台是Kitaev链1，它可以通过超导体耦合的量子点来实现2（Kitaev链是一种理论上的一维量子系统模型，被认为是实现马约拉纳零模的理想体系）。即使是最小的两站点Kitaev链也能承载一对马约拉纳模式，通常称为“穷人的马约拉纳”，它们在空间上是分离的，但与更长的链相比，提供的噪声保护能力有限3,4,5。
在此，我们介绍一种通过量子电容读取其宇称的测量技术（量子电容是一种反映量子系统电荷态变化的电学特性，可用于探测量子态信息）。我们的方法将两个马约拉纳零模耦合起来，并能实时分辨它们的宇称，这种宇称变化表现为随机电报开关信号，且信号寿命超过一毫秒（随机电报开关指系统在两种状态间随机切换的现象，这里用于直观展示宇称态的变化）。同时进行的电荷传感实验证实，这两种宇称态是电中性的，并且对于不耦合这些马约拉纳模式的探针而言，这两种状态是无法区分的。
这些结果确立了马约拉纳量子比特时域控制的关键读取步骤，成功解决了一个长期存在的实验难题。