激子绝缘体中反映的超导规则

致力于创建容错量子计算机工作组件的莱斯大学物理学家成功地创造了一种以前看不见的物质状态。

美国和中国的一个国际团队在赖斯的试验中观察到了“拓扑激子绝缘体”。研究人员 本周在Nature Communications杂志上报道了他们的发现。他们的设备可能潜在地用于 拓扑量子计算机，这是一种量子计算机，它将信息存储在量子粒子中，这些粒子被编织在一起，就像不容易被打破的结一样。这些稳定的，编织的“拓扑”量子比特或拓扑量子比特，可以克服当今量子计算的一个主要局限性：非拓扑学的Qubits很容易“消失”并丢失它们存储的信息。

传统计算机使用二进制数据，即存储为1或0的信息。由于量子力学的怪癖，量子比特可以同时代表一个零，零和三个同时为零和零的状态。

第三种状态可用于加速计算，以至于只有几十个量子比特的量子计算机可以像拥有十亿个二进制晶体管的微芯片一样快地完成一些计算。

在这项新研究中，赖斯物理学家杜瑞瑞和前莱斯大学研究生杜玲杰(无关系)与莱斯大学，北京大学和中国科学院的研究人员合作，创造了由超薄叠层半导体微片制成的激子绝缘体。这些器件的宽度不超过100微米，在一片镓锑上面含有一片砷化铟。当在液氦浴中冷却至约10开尔文的极低温度时，在装置内部形成超流体量子液体并且电停止通过它们。

“这非常类似于超导体中的过程，在那里你有相互吸引的电子，形成无阻力流动的电子对，”Rice的物理和天文学教授，研究员Rui-Rui Du说。 Rice量子材料中心(RCQM)。“在我们的例子中， 电子与带正电的'电子空穴'配对， 形成一个净电荷为零的超流体。”

现任哥伦比亚大学博士后研究员的Lingjie Du说：“这是一个集体效应，因此对于外部观察者来说，系统正常导电，直到它冷却到临界温度，突然变为相位，成为一个完美的绝缘体。”

为了证明该装置是长期寻求的激子绝缘体，该团队首先必须证明该流体是一种量子凝聚物。这项任务落到了RCQM研究员Junichiro Kono实验室的研究生李新伟身上。赖斯电气和计算机工程教授Li和Kono在冷却到临界温度时，通过器件照射太赫兹波，发现样品在两个不同的波段吸收了太赫兹能量 - 量子凝聚的特征

显示该装置的拓扑涉及测试围绕其周边的一维带中的电传导。

“边缘国家的这种新奇属性是人们非常感兴趣的东西，”Rui-Rui Du说道。“这种边缘状态没有电阻，你可以通过传导将电子与其自旋力矩联系起来。如果它们有一种类型的旋转，它们会顺时针旋转，如果它们有另一种，它们会逆时针旋转。“

在这些相反的电子流上构建的编织电路将具有固有的拓扑特征，可用于形成容错的量子比特。

“另一个美妙之处在于，相同的原理仍然适用于室温，”Rui-Rui Du说。“有一些原子层状材料，如二硫化钨，可以用来在室温下产生同样的效果，前提是它们可以制成足够纯净的形状。”