怪哉Ta2NiSe5这样的材料可能成为进行大规模量子模拟的天然平台

这种量子晶体违背了物理的正常定律

过去几年，随着 IBM 和谷歌等公司在研发方面投入大量资源，量子计算领域取得了长足的进步。尽管取得了进步，但由于缺乏可用于驱动量子计算机的候选材料，量子计算仅限于富裕的组织。但是宾夕法尼亚大学和印度科学教育与研究所的研究人员已经确定了一种材料，可以很好地用于量子计算机。博士研究员 Harshvardhan Jog和宾夕法尼亚大学材料科学教授 Ritesh Agarwal 在半金属 Ta2NiSe5（也称为 TNSe）中发现了所需的特性。

理想的材料必须表现出两个关键特性——量子纠缠，当一个粒子与另一个粒子无法区分时的量子状态，以及相干性，一种允许它保持纠缠的材料的特性。量子计算机的连贯性很难维持，这就是为什么尽管经过了数十年的研究，量子计算仍然难以成为主流。学术界正在探索具有理想特性的复杂材料，TNSe就是其中之一。这是 TNSe 在宏观形式中的样子：

二维半导体

该研究在宾夕法尼亚大学杰出教授 Eugene Mele 的指导下与印度科学教育与研究所（浦那）的研究科学家 Luminita Harnagea 合作进行。Harnagea 还为实验提供了高质量的 Ta2NiSe5，同时也有助于研究该实验的理论方面。

为什么量子相干很重要

根据2D Semiconductors，Ta2NiSe5 是一种半金属，在 330 开尔文（57 C 或 134 F）温度下会发生激子绝缘体跃迁。在激子绝缘体状态下，量子材料以类似于适用于超导体的 Bardeen-Cooper-Schrieffer 机制的机制经历快速凝聚——尽管恰恰相反，导致绝缘而不是传导。材料的这种凝聚限制了激子的运动（自由电子和半导体或半金属中的空穴的组合），导致量子粒子之间的相干性。

相干性依赖于每个粒子都具有波状行为的原理，如果波被分成两部分，那么这些波可能会以它们叠加形成单一状态的方式相干地相互干扰，正如Phys.org上所解释的那样. 这种共存是构成量子计算的基础。相干性在量子计算中至关重要，因为与经典的计算机位不同，它要么存在于开启状态 (1) 或关闭状态 (0)，而是一个量子位或量子位可以同时以多个状态共存（想想薛定谔的猫）。这使得量子计算机能够非常快速地处理大量数据。

量子计算机研究的新机遇

Jog 和 Agarwal 使用了一种称为圆形光电效应的探测技术，其中光信号用于携带电场。尽管表现出反演对称性的材料，例如 Ta2NiSe5，对圆形光电效应没有反应，但研究人员惊讶地发现该材料产生了信号。根据物理堆栈交换，反演对称是晶体材料沿一点对称的属性。为了设想这一点，可以在 3D 图中对放置在原点的无限小镜子进行成像，并且在对角线相对的八分圆中可以看到点的反射。

研究人员得出结论，之所以会出现这种行为，是因为 Ta2NiSe5 在低温下会破坏对称性。这些结论与之前发表在物理学杂志《物理评论快报》上的研究一致，其中一组研究人员已经确定 Ta2NiSe5 经历了“从斜方晶相到单斜晶相的晶格畸变”，即晶格斜向侧面形成原子的倾斜网格。Jog 和 Agarwal 在他们的实验室中观察到相同的剪切。

Jog 和 Agarwal 的这项研究为学术界研究可能表现出量子纠缠和宏观相干特性的类似复杂晶体材料提供了一种新工具，这两者对于量子计算都是必不可少的。Agarwal 说，随着对这些复杂凝聚态和“物质纠缠态”的理解，像 Ta2NiSe5 这样的材料“可以成为进行大规模量子模拟的天然平台”。