一项新研究揭示了电流在量子超导体中流动的重要特性，这可能会推动量子计算等未来技术的发展。
在《物理评论快报》上发表的论文中，研究聚焦于Floquet Majorana费米子及其在约瑟夫森效应中的作用，约瑟夫森效应能够更精确地控制量子驱动的计算机系统。
这项研究由印第安纳大学布卢明顿分校的物理学教授Babak Seradjeh与印度坎普尔理工学院的理论物理学家Rekha Kumari和Arijit Kundu共同撰写，并已在arXiv预印本服务器上发布。
量子计算的潜在革命
Babak教授及其团队解决了量子计算机面临的一个核心问题：不稳定性。这种不稳定性主要源于量子退相干现象，量子比特因环境干扰（如温度波动或电磁噪声）而失去其微妙的量子态。
量子计算机通常依赖于超导体，这些材料具有零电阻的特性，能够在不损失能量的情况下传导电流。然而，目前的超导体只能在极低温度下工作，接近绝对零度。
这使得量子计算机需要消耗大量能量来维持低温，从而保持稳定，因为当量子位温度不够低时，它们会变得更加不稳定，导致错误发生得更快、更频繁。
对“室温超导体”的研究被称为超导的圣杯，因为冷却过程既昂贵又复杂。如果科学家能够开发出在室温下（约20-25°C或68-77°F）表现出超导性的材料，这将可能彻底改变我们所知的技术，带来无损电力传输、更快且更节能的电子产品、用于MRI机器的强大磁铁以及先进的能量存储系统。
Floquet Majorana费米子的独特性
研究的核心是马约拉纳费米子，这是一种以独特方式运动的亚原子粒子；与大多数粒子不同，马约拉纳费米子本身就是反粒子。（宇宙中的每种粒子——如电子和质子——都有一个对应的反粒子，具有相反的性质，这种粒子与反粒子之间的对称性是宇宙结构的基本组成部分。）
研究人员假设马约拉纳费米子存在于某些材料中，如拓扑超导体。与常规超导体不同，拓扑超导体在其表面或边缘上具有独特且稳定的量子态，这些态受到材料底层拓扑的保护——即其在量子水平上形成的结构。
这些表面状态使其能够抵抗破坏，因此它们在开发更稳定的量子计算机方面具有潜力。这些特殊的边缘态也可以容纳像马约拉纳费米子这样的奇异粒子，而这些粒子在常规超导体中并不存在。
研究人员在一个特定环境中探索马约拉纳费米子：周期性驱动的超导体，即暴露在以重复模式循环打开和关闭的外部能量源中。这种周期性驱动改变了马约拉纳费米子的行为，使其转化为Floquet马约拉纳费米子（FMFs）。
Floquet Majorana费米子可以根据与循环能量源的相互作用以不同状态存在。这些FMFs以独特方式影响电流，导致科学家所称的约瑟夫森效应——一种量子现象，电流可以在两个超导体之间流动，而无需施加电压——即在两点之间推动电流的压力。这种超导体的周期性驱动是维持FMFs及其产生的不寻常模式的关键。
在大多数系统中，两个超导体之间的电流以一定间隔重复。然而，在FMFs中，一种特殊的电行为在一些先进的超导体中发生，电流以正常速率的一半振荡，形成一种独特的、更慢的模式，使系统更稳定。
这种稳定性至关重要，因为它可以提高量子计算机的性能和可靠性，量子计算机依赖于精确和稳定的量子态来处理信息。换句话说，这种较慢的振荡可以使量子设备更高效，更不易受到干扰，这是当今量子计算面临的一大挑战。
新技术调节电流
Babak及其同事的研究揭示了一个重要发现，即约瑟夫森电流的强度——电流的大小——可以通过超导体的化学势进行调节。
简单来说，化学势就像调节材料特性的旋钮，研究人员发现它可以通过与驱动系统的外部能量源的频率同步来修改。
这使科学家们对量子材料的控制达到了新水平，并为量子信息处理中的应用开辟了可能性，在量子信息处理中，精确操纵量子态至关重要。量子计算的影响是巨大的，因为这项技术依赖于以稳定和可预测的方式操纵量子态。
Floquet Majorana费米子具有独特特性，可以通过外部驱动器进行控制，这一发现为构建更快且更能抵抗错误的量子计算机铺平了道路。
马约拉纳费米子对研究人员来说尤其令人兴奋，因为它们有望支持容错量子计算——即信息可以在不受噪声或其他干扰的情况下存储和操作。
尽管这项研究是理论性的，但研究小组通过计算机模拟验证了他们的结果，这些发现为全球研究人员提供了探索量子系统中新的可控特性的路线图。
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