新研究揭示Floquet Majorana费米子如何通过调控超导电流提升量子计算的稳定性，减少错误。这一突破或将推动量子信息处理技术迈向新高度，改变科技格局。
一项最新研究为我们打开了超导体电流行为的新窗口，这一发现可能成为量子信息技术迈向实用化的关键助力。由印第安纳州布卢明顿大学的物理学教授Babak Seradjeh与印度Kanpur理工学院的理论物理学家Rekha Kumari和Arijit Kundu共同完成的研究，聚焦于Floquet Majorana费米子及其在约瑟夫森效应中的作用。这项理论为主、通过数值模拟验证的工作，近期登上了顶级物理学期刊《物理评论快报》。研究者们发现，这种特殊的费米子有望让量子系统的动态控制更加精确，从而为量子计算带来新希望。
量子计算的终极目标是打造一台成熟的量子计算机，但核心难题在于稳定性。量子比特(简称“量子位”)极其脆弱，稍有外界干扰——比如温度波动或电磁噪声——就会导致“量子退相干”，让量子位失去宝贵的量子态。科学家们尝试用多种物理系统构建量子位，比如捕获离子、光学阵列，或者超导体。超导体能在接近绝对零度的极低温下无电阻导电，完全不损耗能量。然而，这种极致冷却让量子计算机的运行成本高昂，因为一旦温度不够低，量子位的不稳定性就会加剧，错误率随之飙升。
有没有办法跳出这个困境？一种梦想中的答案是“室温超导体”，也被誉为超导领域的“圣杯”。试想一下，如果能在接近常温(20-25摄氏度)的条件下实现超导，不仅能大幅降低冷却成本，还可能带来无损耗的电力传输、超高速节能电子设备，甚至是牢不可破的加密技术。然而，Seradjeh教授和他的团队选择了一条不同的道路：通过非局部编码量子信息，让信息在空间中分布得更广，从而抵御局部的噪声干扰。
那么，Floquet Majorana费米子为何如此特别？这种粒子以意大利物理学家Ettore Majorana命名，他早在1937年就预言了它的存在。Majorana费米子有个奇妙的特点：它们是自身的反粒子。2000年，数学物理学家Alexei Kitaev提出，这种粒子不仅以基本粒子的形式存在，还能在拓扑超导体中以量子激发的形式出现。拓扑超导体与普通超导体的区别在于，它们的表面或边缘拥有独特的量子态，这些状态由材料的拓扑结构保护，不易被外界扰动破坏。这种稳定性正是量子计算梦寐以求的特性。
Seradjeh团队的研究更进一步，他们关注的是“周期驱动”下的超导体。所谓周期驱动，就是通过外部能量源有节奏地开关，改变Majorana费米子的行为，使其演化为“Floquet Majorana费米子”。这些费米子在周期性能量的作用下，展现出普通条件下无法实现的特殊状态。比如，在约瑟夫森效应中——一种无需电压就能在两个超导体间产生电流的量子隧穿现象——Floquet Majorana费米子让电流的振荡频率减半，形成了独特的“签名”，为科学家探测它们提供了线索。
更令人兴奋的是，研究发现可以通过调节超导体的“化学势”来控制约瑟夫森电流的强度。化学势就像一个旋钮，轻轻一扭，就能改变材料的特性。当它与外部驱动频率同步时，科学家就能更灵活地操控量子系统。这种精确的调控能力，或许正是量子计算迈向实用化的关键一步。
从超导电流的奇特流动，到Floquet Majorana费米子的独特舞步，这项研究不仅揭示了量子世界的新奥秘，还为全球科学家提供了一张探索蓝图。未来，借助这些可控的量子特性，我们或许能迎来更快、更稳定的量子计算机，彻底改变科技的面貌。
本文译自 scitechdaily，由BALI编辑发布。
