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量子電腦新材料:具有非典型超導體p波對稱性的多晶織構薄膜

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撰文者:朱明文 (台灣大學凝態中心及新穎材料原子級科學研究中心 研究員)
發文日期:2019-10-11
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  • 因電腦科技及當代演算法而衍生的快速資料檢索、電子地圖導航、物聯網技術,乃至人工智慧應用,已徹底改變人類的日常生活樣貌,相關科技的進展,不斷朝更快的運算速度與更好的演算效率演進。於是,進階的半導體製程、新穎材料與物理性質的研究開發、突破性的演算法成為各國競相投入的前瞻軟硬體科研議題,同時形塑出量子電腦的概念。

    相較於電腦以“0”與“1”二元進位方式來執行演算,量子運算則將“0”與“1”並置為一體,相互疊加,可處理更多更複雜的運算與資訊,其發展因而具有劃時代的影響性,不僅有利於解決氣候變遷、藥物開發等複雜議題背後所涉及的龐大計算需求,對國防、金融資通應用的資訊加密亦扮演舉足輕重的角色。量子計算架構經過數十年的發展已有長足進步,然而,對應的硬體層面則仍有諸多挑戰與限制,其中最關鍵的為找到能同時乘載“0”與“1”二元狀態的物質,且能操控材料中所對應的量子位元(qubit)。例如,由傳統超導體建構成的超導環(superconducting ring),在微妙的外加磁場調控下確實可能達到順時針與逆時針超導電流共存於單一環中的狀態,而滿足量子位元兩態共存的需求,然而,對應的外加磁場往往非常小,使得精準、可靠的磁場調控非常困難。因此,科學家們數十年來努力尋找零外加磁場下,同時具有順逆時針超導電流的超導環,但苦無明確的突破,直到這次美國團隊的突破性工作。

    美國約翰霍普金斯大學李禹帆博士、許曉英博士、錢嘉陵教授(美國物理學會會士、美國科學促進會AAAS會士、台灣中研院院士)與台灣大學凝態中心及新穎材料原子級科學研究中心朱明文研究員發現由新穎材料β-Bi2Pd多晶織構薄膜(textured polycrystalline film)所作成的超導環具有不尋常的半量子磁通量(half-quantum flux),最重要的是容許在零外加磁場下有順逆時針超導電流共存,為量子電腦所需的量子位元材料開啟新頁。李博士、許博士、錢教授利用經典的Little-Parks量子磁通量原理來精確設計β-Bi2Pd超導環的理想大小,並導入多晶薄膜對超導電流相位干涉影響的觀念,以精準的實驗方法闡釋與證實β-Bi2Pd應為具有非典型超導體p波對稱性,而半量子磁通量正是這類非典型超導的特質。
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     錢嘉陵 院士                                               朱明文 研究員


    p波超導體的另一重要科學隱喻是具有Majorana費米子(粒子亦為自身反粒子)的拓樸超導體(topological superconductor),此類費米子必須構築於p波超導體的前提之上。或許,在可見的將來,因β-Bi2Pd非典型超導的發現不但催生出量子電腦,乃至更下世代的拓樸量子電腦雛形。

    相關發表刊登於2019年10月11日出刊的頂尖期刊Science 366, 238–241 (2019) (https://science.sciencemag.org/content/366/6462/238.editor-summary),並感謝台灣大學研發處電子顯微學重點技術平台李明浩資深技師提供的關鍵電子顯微鏡研究服務、材料系溫政彥教授與電子顯微學平台賴一禎先生提供的顯微樣品製作協助、凝態中心林昭吟研究員與物理系黃斯衍教授的詳盡科學意見。
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