拓扑量子计算机更进一步采用新方法分裂电子

拓扑量子计算机目前仅存在于理论上，但如果有可能，它将成为世界上最稳定、最强大的计算机。然而，它需要一种特殊类型的量子比特，而这种量子比特尚未被实现和操纵。

传统物质由包含电子的原子组成，科学家早就知道电子是不可分割的基本粒子。然而，令人惊讶的新研究表明，量子力学的一个奇特特性可用于制造行为类似于半个电子的物体。

这些“分裂电子”可以充当拓扑量子位，并可能成为释放量子计算全部能力的关键。

该项发现最近发表在《物理评论快报》上，是由都柏林大学学院(UCD)物理学院的安德鲁·米切尔教授和印度理工学院丹巴德分校的苏德什纳·森博士做出的，他们都是研究纳米级电子电路量子特性的理论物理学家。

Sen博士说：“电子产品的微型化已经达到了这样的程度，电路元件的直径只有纳米。在这种规模下，游戏规则由量子力学决定，你必须放弃对事物运作方式的直觉。”

“流过导线的电流实际上是由大量电子组成的，随着导线越来越小，你可以看到电子一个接一个地通过。我们现在甚至可以制造仅靠一个电子就能工作的晶体管。”

在纳米级电子电路中，电子之间的量子干涉现象可以导致电子出现分裂的状态。

米切尔教授表示：“在纳米电子电路中，沿电路不同路径流动的电子可以相互干扰，从而阻止电流流动。这种现象以前在量子器件中也曾被观察到过。”

“我们发现的新现象是，通过迫使多个电子足够靠近，使它们强烈排斥彼此，量子干涉就会发生改变。尽管电路中唯一的基本粒子是电子，但它们集体的行为就像电子被一分为二一样。”

结果是所谓的“马约拉纳费米子”——一种由数学家于1937年首次提出但尚未通过实验分离出来的粒子。如果马约拉纳粒子可以在电子设备中产生并被操纵，这一发现对于新量子技术的发展具有潜在的重要意义。

米切尔教授表示：“过去几年，人们一直在大力寻找马约拉纳粒子，因为它们是拟议中的拓扑量子计算机的关键成分。我们可能已经找到了一种利用量子干涉效应在纳米电子设备中生产它们的方法。”

“双缝”实验解释量子干涉

当纳米电子电路被设计成让电子选择两种不同的路径时，就会发生量子干涉。米切尔教授解释说：“我们在这种电路中看到的量子干涉与著名的双缝实验中观察到的非常相似。”

双缝实验证明了电子等量子粒子的波动性，这在20世纪20年代首次促成了量子力学的发展。单个电子被发射到带有两个小孔的屏幕上，它们最终到达的位置被记录在另一侧的照相底片上。

由于电子可以穿过任一狭缝，因此它们会相互干扰。事实上，单个电子可以与自身发生干扰，就像波同时穿过两个狭缝时发生干扰一样。

由于电子可以通过任一狭缝，因此另一侧出现的波可以以复杂的方式相互作用和重新结合，产生干涉图样。当一个波的波峰与另一个波的波谷相撞时，它们会抵消——结果是电子无法通过。

米切尔教授说：“这与纳米电子电路中发生的事情是一样的。量子干涉可用于产生我们所需的量子比特，以制造更强大的量子计算机。”

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