量子计算机是利用基于脆弱、短暂的量子力学状态的量子比特(或称量子位)来处理信息。为了使量子比特更加稳健并能根据特定应用进行定制，美国能源部橡树岭国家实验室(ORNL)的研究人员正试图寻求创建一种新的拓扑态材料系统。

ORNL材料科学家Robert Moore说："我们正在探索一种利用新型材料来制造量子计算机的新途径。"Robert Moore与同为材料科学家的ORNL同事Matthew Brahlek一起在《先进材料》上合作发表了一项新研究。

他们通过将超导体(在特定环境下电阻可变为零)与拓扑态绝缘体(表面导电但内部绝缘)两种材料结合在一起，在具有不同原子对称排列的晶体薄膜之间形成了一个原子级清晰的界面。

他们设计和创造的这种新型界面可能会产生奇异的物理现象，该界面承载着一种独特并具有成为高级量子比特潜力的量子构件。因为在界面两侧被控制的电子结构可能会在材料内部产生一种叫做Majorana粒子的东西。

2008年，来自宾夕法尼亚大学的理论物理学家Liang Fu和Charlie Kane提出了一种理论预测，在拓扑绝缘体和超导体之间创建新颖的界面将产生拓扑超导性，这是一种新的物质相，它预计将容纳Majorana粒子。

Robert Moore表示："如果你有一对Majorana粒子，并让它们在彼此周围移动，它们就会对这一运动产生记忆。它们总是知道彼此的位置，而这个过程可以被用于编码量子信息，并以一种新的方式进行计算。"

然而，实现可容纳Majorana粒子的新物质相取决于能否找到合适的材料。要取得这样的成就，就需要一个多样化的专家团队。当Robert Moore于2019年加入ORNL时，他带来了角分辨光电子能谱(简称ARPES)方面的新专业知识，这是一种探测材料电子结构的技术。

Robert Moore说："实现基于Majorana粒子的量子比特是我们的终极目标之一。材料中的Majorana粒子是一种奇异的形态。要证明它的存在，就需要制造和测试一个类似于量子比特的装置并对其进行测试。这种想法很奇怪，但要证明它是一个量子比特，就必须制造一个量子比特。很高兴的是，我们现在已知道如何控制材料使其到实现这一目标所需的水平。"(编译:Tmac)