量子運算新突破：超導體中的隱藏行為揭密

最新研究揭露了超導體中電流流動的關鍵行為，這項發現可能為量子運算帶來革命性的進展。研究團隊發現，透過控制超導電流，Floquet Majorana fermions（弗洛凱特馬約拉納費米子）能夠提升量子運算的穩定性，並減少錯誤率。這項研究由印第安納大學布魯明頓分校的物理學教授Babak Seradjeh與印度理工學院坎普爾分校的理論物理學家Rekha Kumari和Arijit Kundu共同完成，並發表於頂尖物理期刊《物理評論快報》。

量子電腦的發展面臨一個核心挑戰：不穩定性。這種不穩定性主要來自於量子退相干（quantum decoherence），即量子位元（qubits）因環境幹擾（如溫度波動或電磁噪音）而失去其精細的量子狀態。量子位元可以透過不同的物理系統實現，例如離子阱、光學陣列或超導體。超導體是一種在極低溫下（接近絕對零度）能夠無損耗傳導電流的材料，但維持這種低溫環境需要大量能源，這使得量子電腦的運作成本高昂且複雜。

為瞭解決這個問題，科學家們一直在尋找室溫超導體，這被視為超導體研究的「聖杯」。若能開發出在接近室溫（約20-25°C）下展現超導性的材料，將徹底改變科技領域，實現無損耗電力傳輸、更快速且節能的電子裝置，以及更先進的加密技術。然而，Seradjeh教授與其團隊選擇了另一條路：透過非區域性編碼量子資訊，使其分散在更大的空間範圍內，從而避免區域性噪音和波動的影響。

Majorana fermions（馬約拉納費米子）以義大利物理學家Ettore Majorana命名，他在1937年首次提出這種次原子粒子的存在。與大多數粒子不同，馬約拉納費米子是其自身的反粒子。2000年，數學物理學家Alexei Kitaev發現，馬約拉納費米子不僅可以作為基本粒子存在，還可以在某些被稱為拓撲超導體的材料中以量子激發的形式出現。這些拓撲超導體與普通超導體不同，其表面或邊緣具有獨特且穩定的量子狀態，這些狀態受到材料底層拓撲結構的保護。

Seradjeh教授與其團隊進一步研究了在週期性驅動超導體中的馬約拉納費米子。這種週期性驅動會改變馬約拉納費米子的行為，將其轉化為Floquet Majorana fermions（FMFs）。這些FMFs能夠在週期性驅動下展現出獨特的狀態，並與外部能量源的迴圈模式相互作用。研究發現，FMFs對約瑟夫森電流（Josephson current）有獨特的影響，使其以正常速率的一半振盪，這為檢測FMFs提供了獨特的訊號。

這項研究還揭示了一個關鍵發現：約瑟夫森電流的強度可以透過超導體的化學勢進行調控。化學勢就像一個旋鈕，能夠調整材料的特性，而研究人員發現，它可以透過與驅動系統的外部能量源頻率同步來進行修改。這為科學家提供了一種新的量子材料控制方式，並為量子資訊處理中的精確量子態操控開闢了新的可能性。

這項研究由美國國家科學基金會資助，為全球研究人員提供了一條探索可控量子系統新特性的路線圖。Floquet Majorana fermions的獨特性質及其可被外部驅動控制的特性，將有助於開發更快且更抗錯的量子電腦，為未來的量子科技奠定基礎。