由科隆大学领导的一个实验物理学家团队已经证明，在以其独特的纯边电性能而闻名的特殊材料中创造超导效应是可能的。这一发现提供了一种探索先进量子态的新方法，这对于开发稳定高效的量子计算机至关重要。
他们的研究题为“量子反常霍尔绝缘体中的诱导超导相关性”，发表在《自然物理》杂志上。
超导是电流在某些材料中无阻力流动的现象。量子反常霍尔效应(quantum anomalous Hall effect)是另一种现象，也会产生零阻力，但有一点不同:它被限制在边缘，而不是扩散到整个边缘。
理论预测，超导性和量子反常霍尔效应的结合将产生被称为马约拉纳费米子的拓扑保护粒子，这将有可能彻底改变未来的技术，如量子计算机。
这种组合可以通过在已经无电阻的量子反常霍尔绝缘体的边缘诱导超导性来实现。由此产生的手性马约拉纳边缘态是一种特殊类型的马约拉纳费米子，是实现拓扑保护的“飞行量子比特”(或量子比特)的关键。
Anjana Uday是安藤洋一教授小组的最后一年博士研究员，也是这篇论文的第一作者，他解释说:“在这项研究中，我们使用了超导铌电极接触的量子反常霍尔绝缘体薄膜，并试图在其边缘诱导手性马约拉纳态。
“经过五年的努力，我们终于能够实现这个目标:当我们将一个电子注入绝缘体材料的一端时，它会在另一端反射，不是作为电子，而是作为空穴，这本质上是一个带相反电荷的电子的幻影。
“我们称这种现象为交叉安德烈夫反射，它使我们能够探测到拓扑边缘状态下的诱导超导性。”
该论文的共同第一作者、安藤小组的博士后格特扬·利珀茨补充说:“自从发现量子反常霍尔效应以来，在过去的10年里，许多小组都尝试过这个实验，但之前没有人成功过。
“我们成功的关键是量子反常霍尔绝缘体的薄膜沉积，器件制造的每一步，以及超低温测量都是在同一个实验室完成的。这在其他地方是不可能的。”
为了获得这些结果，科隆研究小组与鲁汶大学、巴塞尔大学以及德国科学研究中心的同事合作。后者在量子计算卓越物质和光联合集群(ML4Q)中提供了理论支持。
“该集群在为这一突破提供必要的协作框架和资源方面发挥了重要作用，”科隆大学实验物理学教授、ML4Q发言人Yoichi Ando详细阐述道。
这一发现为未来的研究开辟了许多途径。下一步的实验包括直接证实手性马约拉纳费米子的出现，并阐明它们的奇异性质。
理解和利用拓扑超导性和手性马约拉纳边缘态可以通过提供稳定的量子比特来彻底改变量子计算，这些量子比特不易受退相干和信息丢失的影响。
本研究中展示的平台为实现这些目标提供了一条有希望的途径，可能会导致更强大和可扩展的量子计算机。
