超导的激子绝缘体镜像规则

致力于创建容错量子计算机工作部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。

Rice的“拓扑激子绝缘体”是由一片半导体（上），成为绝缘体在临界温度在10 K。在临界点，一个超流的量子液体激子-带负电荷的电子（蓝点）和带正电的电子孔（红点）-形成的设备（底部）和电力停止通过他们。（图片由R·杜/莱斯大学提供）

“拓扑绝缘体试验中观察到激子”是由来自美国和中国的一个国际小组水稻。研究人员在本周的自然通讯杂志上报告了他们的发现。他们的设备可能被应用在拓扑量子计算机中，一种量子计算机，将信息储存在量子粒子中，这些粒子被“编织”在一起，就像不容易断开的结一样。这些稳定的、编织的“拓扑”量子比特，或拓扑量子比特，可以克服今天的量子计算的主要限制之一：量子比特，非拓扑容易“变调”而失去他们是储存的信息。

传统的计算机使用二进制数据，即存储为0或0的信息。由于量子力学的特殊性，量子比特可以同时表示一个零和一个第三态。

这第三种状态可以被用来加速计算，以至于只有几十个量子位的量子计算机能像十亿个二进制晶体管那样快速完成一些运算。

在新的研究中，Rice物理学家芮瑞独和前Rice的研究生凌杰独（没有关系）与研究人员Rice合作，北京大学与科学创造的激子绝缘体制成的小片超纯中国科学院，堆叠的半导体。这些设备的宽度不超过100微米，在一片镓锑的表面含有一层砷化铟。当冷却槽中的液态氦在极低的温度约10 K，一个量子液体形式的设备和电力内部停止通过。

“这就像是在一个超导体的过程中，你有电子相互吸引形成对流动没有阻力，”芮瑞独说，一个在Rice和量子材料中心研究员的水稻的天文学和物理学教授（相关热门职位）。在我们的例子中，电子对带正电的电子孔产生超流，净电荷为零。

凌杰独，现在的博士后研究员，哥伦比亚大学，说，“这是一个集体的效果，所以对一个旁观者系统进行供电，通常直到它冷却到临界温度时，它突然变化阶段，成为一个完美的绝缘体。”

证明该设备是长期寻求的激子绝缘体，团队首先必须显示流体是一种量子凝聚。这个任务落到了辛伟丽，在相关热门职位研究员Junichiro Kono实验室的研究生。李和河野，一个在水稻的电气和计算机工程教授，用太赫兹波通过设备作为他们被冷却到临界温度，发现样品的太赫兹能量吸收在两个不同的频带-量子凝聚一个签名。

显示该器件拓扑涉及到在其周边的一维带内的导电性测试。

“这种边缘状态的新奇特性是人们非常感兴趣的东西，”芮瑞独说。“这个边缘状态没有电阻，你得到电子在其自旋时刻被束缚的传导。如果它们有一种自旋，它们顺时针方向旋转，如果它们有另一种，则逆时针方向旋转。

建立在这些相反电子流上的编织电路具有固有的拓扑特征，可以用来形成容错的量子位。

芮瑞独说：“另一个美丽之处是，同样的原理在室温下仍然适用。”。“有原子层状材料如钨硫，可能被用于在室温下获得同样的效果，只要可以足够纯净的形式。”

其他共同作者包括文凯娄和凯昌的中国科学院北京和Teledyne科学成像Gerard Sullivan在千橡，Calif.的研究是由美国能源部的支持下，美国国家科学基金会（NSF）和中国国家自然科学基金。一些实验是在国家高磁场实验室进行的，该实验室得到了NSF和佛罗里达州州的支持。