双缝实验。学分：都柏林大学学院

拓扑量子计算机仍然只存在于理论上，但如果可能的话，它将是世界上最稳定、最强大的计算机。但是，它需要一种特殊类型的量子比特（量子比特），该量子比特尚未实现和操作。

常规物质由包含电子的原子组成，科学家们早就知道电子是不可分割的基本粒子。然而，令人惊讶的新研究表明，量子力学的一个奇怪特征可以用来产生行为类似于半个电子的物体。

这些“分裂电子”可以充当拓扑量子比特，并可能掌握释放量子计算全部能力的关键。

这一发现最近发表在《物理评论快报》上，由都柏林大学学院 （UCD） 物理学院的 Andrew Mitchell 教授和丹巴德印度理工学院的 Sudeshna Sen 博士提出，他们是研究纳米级电子电路量子特性的理论物理学家。

“电子产品的小型化现在已经达到了电路元件只有纳米宽的程度。在这种规模下，游戏规则是由量子力学设定的，你必须放弃对事物运作方式的直觉，“森博士说。

“流过导线的电流实际上是由许多电子组成的，随着导线越来越小，你可以看到电子一个接一个地通过。我们现在甚至可以制造只使用单个电子的晶体管。

在纳米级电子电路中，电子之间的量子干涉现象会导致电子似乎分裂的状态。

Mitchell 教授说：“在纳米电子电路中，沿着电路中不同路径流动的电子会破坏性地干扰和阻止电流流动。这种现象以前在量子器件中已经观察到。

“我们发现的新事情是，通过迫使多个电子靠得足够近，以至于它们彼此强烈排斥，量子干涉就会发生变化。尽管电路中唯一的基本粒子是电子，但它们的整体行为就像电子被一分为二一样。

结果是所谓的“马约拉纳费米子”——一种由数学家于 1937 年首次提出理论的粒子，但尚未通过实验分离。如果马约拉纳粒子可以在电子设备中产生并进行操作，那么这一发现对于新量子技术的发展具有潜在的重要意义。

Mitchell 教授说：“过去几年对 Majoranas 进行了大量搜索，因为它们是拟议的拓扑量子计算机的关键组成部分。我们可能已经找到了一种利用量子干涉效应在纳米电子设备中生产它们的方法。

当纳米电子电路设计为让电子选择两种不同的途径时，就会发生量子干涉。Mitchell 教授解释说：“我们在这种电路中看到的量子干涉与著名的双缝实验中观察到的非常相似。

双缝实验展示了电子等量子粒子的波状特性，这首先导致了 1920 年代量子力学的发展。单个电子被发射到具有两个小孔径的屏幕上，它们最终到达的位置被记录在另一侧的照相底片上。

因为电子可以通过任一狭缝，所以它们会相互干扰。事实上，单个电子可以干扰自身，就像波同时通过两个狭缝时一样。

因为电子可以通过任一狭缝，所以从另一侧出现的波可以以复杂的方式相互作用和重新组合，从而产生干涉图案。当一个波的峰值与另一个波的波谷碰撞时，它们会相互抵消——结果是电子无法通过。

“这与纳米电子电路中发生的事情相同，”Mitchell 教授说。“量子干扰可用于产生我们更强大的量子计算机所需的各种量子比特。”

更多信息：Sudeshna Sen 等人，双通道近藤效应的多体量子干涉路线：分子结和量子点器件的逆向设计，物理评论快报（2024 年）。DOI：10.1103/PhysRevLett.133.076501。在 arXiv 上：DOI： 10.48550/arxiv.2310.14775

期刊信息： Physical Review Letters ， arXiv