宇宙大爆炸|拓扑量子计算的各种平台及最新进展( 二 ) 天文学家

清华大学刘东课题组理论上提出了一种实验探测手段，利用耗散电极引入的电子和环境玻色子的相互作用重整化效应，使得马约拉纳输运信号和其它平凡输运信号产生完全不同的标度行为和温度电压依赖关系，从而有望解决纳米线体系中的“马约拉纳态-安德烈夫态”的竞争与争论。这些重要进展代表国内在纳米线拓扑量子计算研究领域已经接近世界一流水平。
拓扑超导涡旋态
超导涡旋态与拓扑能带结合实现马约拉纳零能模方案最早由美国的傅亮和Kane在2008年提出，开创了拓扑量子计算领域发展的新方向。我国最早开展这一方案的实验探索，也是世界范围内马约拉纳涡旋态研究的引领者。上海交通大学贾金锋团队最先在超导/拓扑绝缘体（NbSe2/Bi2Te3）中观测到超导近邻效应和马约拉纳涡旋态存在的实验证据，并且首次探测到马约拉纳零能模自旋极化的可靠信号。
近来，贾金锋课题组将马约拉纳涡旋态研究扩展到了超导/拓扑晶体绝缘体系统，并在本次会议上展示了利用分子束外延生长的Pb/SnTe异质结体系，进而观测到了奇异的超导涡旋态。理论预言该体系的超导涡旋中会存在4重马约拉纳零能模，是研究多个马约拉纳零能模相互作用的理想平台。同时，他们提出了用电场来驱动拓扑超导中的涡旋以实现马约拉纳涡旋态编织的方案。
清华大学王亚愚研究组实现了对基于Bi2Te3拓扑绝缘体薄膜的约瑟夫森结的微纳器件制备和原位栅极电压调控，并在新型本征反铁磁拓扑绝缘体MnBi2Te44中实现了轴子绝缘态及其与陈绝缘体态之间的量子相变。这些进展为构建基于量子反常霍尔效应的手性马约拉纳费米子态奠定了技术基础，并提供了新的材料体系。
图2：马约拉纳涡旋态系统示意图。拓扑超导涡旋中心的表面可以存在马约拉纳零能模，有望成为拓扑量子计算的砌块。超导涡旋的缠绕数是量子化的+1或-1 ，对此系统中的马约拉纳零能模有很好保护，较易在材料中实现。我国在马约拉纳涡旋态的研究在世界领先。主要研究内容已经从发现马约拉纳涡旋态转移到马约拉纳零能模的调控、编织，以进一步制备量子比特。
实现马约拉纳涡旋态的另一个系统是拓扑非平庸的铁基超导材料。它是目前唯一具备高超导温度、拓扑能带、大准粒子能隙、单一材料等实现纯净马约拉纳零能模条件的理想平台（铁马平台）。 2020年发表在Nature Review Physics杂志“Year in Review”栏目的评论中写道：“铁基超导材料中分立的涡旋束缚态的发现是一个巨大成功。这些超导体或许正是要找的‘金发姑娘’般的材料，它们具有强超导配对并且没有任何其它致命问题……铁基超导体是拓扑超导体的主要候选者，有望证明其超导涡旋中的零能模就是人们一直寻找的马约拉纳准粒子。 ”
中科院物理所丁洪课题组和高鸿钧课题组合作，国际上最先在外加磁场的铁基超导体Fe(TeSe)中观测到马约拉纳零能模的实验信号，并对此进行了系统探索。他们的研究，以及中国科学技术大学/复旦大学封东来课题组、南京大学闻海虎课题组的研究，共同引领了此系统在国际上的研究进展。值得指出的是，铁基超导的拓扑性质在理论上是由中科院物理所胡江平，以及方忠、戴希等提出的。
本次会议上丁洪介绍了他们在铁马平台上实现马约拉纳涡旋态宏观调控的最新实验进展，为未来实验观测非阿贝尔统计提供了新机遇。华中科技大学刘鑫课题组、国科大卡弗里所张富春课题组和清华大学刘东课题组合作提出编织马约拉纳涡旋态的理论方案，阐述了铁基超导纳米线系统和全包围超导/拓扑绝缘体纳米线系统具有在大范围参数空间的拓扑简并基态、量子态可有效操控和量子信息易于读取的性质，是探测非阿贝尔统计的理想候选平台，并给出了通过马约拉纳涡旋态实现拓扑量子计算的路线图。这些重要进展表明我国在基于马约拉纳涡旋态的拓扑量子计算研究领域继续保持国际领跑地位。
拓扑材料单层、界面与异质结体系
笼目结构材料是研究拓扑超导新的候选体系之一。具有二维笼目结构的材料能带中往往具有平带和类似于石墨烯的狄拉克型色散，因而能够诱导产生一系列关联拓扑物态。当这类材料进入超导态时，则有可能获得拓扑非平庸的超导态。中科大陈仙辉、王震宇课题组在准二维笼目超导CsV3Sb5的表面上观测到了一个具有较大空间尺度的零能电导峰，该零能峰的空间分布与传统的超导涡旋态不同，而与拓扑绝缘体/超导体异质结中马约拉纳零能模的特征一致，被认为来源于拓扑非平庸的狄拉克表面态，为马约拉纳零能模。