原標題：拓撲絕緣體的新應用：優化量子計算機關鍵組件！

導讀

澳大利亞悉尼大學、微軟、美國斯坦福大學的研究人員組成的團隊對于大規模量子計算的必要組件進行了小型化處理。2006年，研究人員首次發現了一種新奇量子特性的物質狀態：拓撲絕緣體。這項研究成為了拓撲絕緣體的首個實際應用。

關鍵字

量子、量子計算機、量子位

背景

物質常見的狀態有：固態、液態、氣態。然而除了這些狀態之外，拓撲絕緣體卻具有一種特殊的物質狀態，該材料的大部分結構可以作為絕緣體，而表面可以作為導體。對于這些材料進行操控，為量子系統和經典系統之間交互提供了一條途徑，特別是有利于構建實用化的量子計算機。

2016年，為這種新物質狀態的發現奠定基礎的理論研究獲得了諾貝爾物理獎。

創新

澳大利亞悉尼大學、微軟、美國斯坦福大學的研究人員組成的團隊對于大規模量子計算的必要組件進行了小型化處理。2006年，研究人員首次發現了一種新奇量子特性的物質狀態：拓撲絕緣體。這項研究成為了拓撲絕緣體的首個實際應用。

(圖片來源：悉尼大學納米科學中心)

悉尼大學團隊將這項發明發表在《自然通信》(Nature Communications)雜志。David Reilly 教授是悉尼大學微軟量子實驗室的主任。該實驗室是微軟致力于構建世界上首個實用量子計算機的全球部署的一部分，耗資數百萬美元。該合作項目位于納米科學中心，即悉尼大學納米研究所的標志性建筑。

技術

悉尼大學團隊設計的組件是一種微波環行器，就像一個交通環島，保證信號只沿著一個方向傳播，按需要呈現順時針或者逆時針。類似的設備存在于移動手機基站和雷達系統中，在構建量子計算機需要大量的此類設備。而目前為止，最主要的障礙就是：典型的環行器非常笨重，達到手掌般大小。

(圖片來源：參考資料【2】)

而這項發明將普通的環行器裝置縮小了1000倍。它是通過利用拓撲絕緣體的特性減緩材料中光線速度來實現的。

(圖片來源：悉尼大學納米科學中心)

價值

悉尼大學團隊的領導人 David Reilly 教授解釋道，這項工作可以擴展量子計算，并將驅動電子和納米科學相關領域的突破。

Reilly 教授說：

“這不僅關系到量子位，也關系到量子機器的基礎構建模塊。構建大規模的量子計算機也需要經典計算機和設備工程的革新。”

“即使如今我們擁有幾百萬的量子位，但是現在還不清楚我們是否擁有經典技術可以控制它們。實現大規模量子計算機需要發明作為量子系統和經典系統之間接口的新設備和技術。”

論文的首作者、博士研究生 Alice Mahoney：

“這種小型環行器可在一系列量子硬件平臺上實現，不管使用的是哪種特殊的量子系統。”

實用量子計算機還需要幾年時間。科學家們希望通過量子計算機，解決目前無法解決的計算問題，它將應用于一系列領域，例如化學和藥物設計、氣候與電子建模、加密。

參考資料

【1】https://sydney.edu.au/news-opinion/news/2017/11/28/key-component-for-quantum-computing-invented.html

【2】Alice C. Mahoney, James I. Colless, Lucas Peeters, Sebastian J. Pauka, Eli J. Fox, Xufeng Kou, Lei Pan, Kang L. Wang, David Goldhaber-Gordon, David J. Reilly. Zero-field edge plasmons in a magnetic topological insulator. Nature Communications, 2017; 8 (1) DOI: 10.1038/s41467-017-01984-5

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總結

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